УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЖЕЛЕЗООКСИДНОГО ПИГМЕНТА ИЗ ШЛАМА СТАНЦИИ ВОДОПОДГОТОВКИ

Полезная модель относится к области получения железооксидных пигментов из отходов, полученных при очистке железистых подземных вод, и одновременно - к области утилизации железистых шламов - отходов станций водоподготовки, а более конкретно - к установкам для получения железооксидных пигментов, которые могут найти применение в промышленности строительных материалов (для получения цветных бетонов, тротуарной плитки, грунтовок, лаков, красок).
Известна установка для получения железнооксидного пигмента по патенту RU 2043303, МПК C01G 49/02, С09С 1/24, B22F 9/14. Установка содержит соединенные трубопроводами реактор электроэрозионного диспергирования, источник импульсного напряжения, гидроциклон, сборник суспензии с перемешивающим устройством, дозатор железа, фильтр суспензии железосодержащего компонента, реактор-окислитель с перемешивающим устройством, сборник фильтрата после первичной фильтрации, фильтр суспензии полупродукта, сборник фильтрата после фильтрации полупродукта, прокалочную печь и мельницу. Эта установка служит для получения железнооксидного пигмента из металлического железа в виде гранул, стружки или кусочков нелегированной стали, которые подвергаются электроэрозионному диспергированию с последующей обработкой полученной суспензии углекислым газом или кислотными остатками сильных кислот. Цвет полученного пигмента (от темно-коричневого до красного) зависит от времени пропускания углексислого газа и воздуха. Входящие в установку устройств позволяют исключить вредные стоки и выбросы в атмосферу вредных газов. Но и сама установка по патенту RU 2043303, и технология получения на этой установке железнооксидного пигмента отличаются сложностью и трудоемкостью и не позволяют получать пигменты из железооксидных отходов, например, отходов водоочистки. С одновременной их утилизацией.
По технической сути наиболее близким к заявляемой полезной модели является устройство для получения красного железноокисного пигмента, с помощью которого реализуется способ, по патенту РФ №2257397 [МПК С09С 1/24, C01G 049/06].
3
Исходным сырьем служит отход металлургии - оксид железа, образованный при термическом разложении солянокислых растворов, отработанных при травлении углеродистых сталей. Устройство содержит шаровую мельницу для мокрого размола оксида железа, сито с сеткой, реактор с мешалкой, устройство для обезвоживания суспензии (фильтр-пресс) и сушилку с инертным носителем или одновальцовую атмосферную. В шаровую мельницу заливают техническую воду, загружают оксид железа в концентрации 500-900 г/дм, заливают нейтрализующий агент в количестве, обеспечивающем рН 6÷10. В качестве нейтрализующего агента можно использовать едкий натр, гашеную известь, микрокальцид. Суспензию размалывают 3-5 ч, помещают в реактор с мешалкой, где осуществляют отмывку с образованием суспензии, отфильтровывают и сушат.
С помощью этого устройства из железооксидных отходов металлургической промышленности получают пигменты повышенного качества для лакокрасочной и строительной промышленности. Хотя применяемое для этого способа устройство близко по технической сути к заявляемой установке, однако оно не решает задачи получения пигмента без использования дополнительных химических реагентов и утилизации железооксидного шлама, являющего отходом водоподготовки.
Задачей заявляемой полезной модели является создание установки, позволяющей получить пигменты с заданными цветовыми характеристиками из железооксидного шлама, упростить технологический процесс и одновременно, в целях охраны окружающей среды, ликвидировать возможность загрязнения окружающей среды.
Технический результат заключается в получении ярко красных и коричневых пигментов с высокой красящей способностью для строительных материалов.
Задача и технический результат достигаются следующим образом.
Заявляемая установка, как и прототип, содержит устройство для обезвоживания исходного железосодержащего сырья, устройство для измельчения и устройство просушивания.
В отличие от прототипа в качестве исходного сырья в установке использован железооксидный шлам, полученный в процессе очистки воды, при этом установка дополнительно содержит печь для прокаливания высушенного железооксидного шлама или высушенного и измельченного после сушки железооксидного шлама. В частных случаях устройство для обезвоживания железооксидного шлама может быть выполнено в виде фильтра-пресса или центрифуги, а в качестве устройства для измельчения железооксидного шлама использована мельница.
Использование дешевого вторичного сырья - железооксидного шлама (ЖОШ) дает ряд существенных экономических и технических преимуществ перед другими пигментами. ЖОШ широко распространены в западносибирском регионе, где их выделяют перед хозяйственно-питьевым использованием из подземных вод, которые повсеместно имеют высокое содержание железа. Они являются отходами, загрязняющими окружающую среду, их подготовка к использованию не требует сложной аппаратуры.
Входящие в установку устройства позволяют осуществить все необходимые технологические операции по изготовлению пигмента: обезвоживание, сушку, прокаливание, измельчение. Экспериментально установлено, что прокаливание при температуре 500-600°С позволяет получить пигмент красного цвета.
На чертеже (фиг.1) представлена блок-схема установки для получения железооксидного пигмента, на фиг.2 - общий вид рентгенограммы прокаленного образца пигмента.
Установка включает в себя устройство для обезвоживания железооксидного шлама 1, (например, фильтр-пресс, центрифугу и т.д.), устройство просушивания железооксидного шлама до постоянной массы 2, устройство для измельчения железооксидного шлама (например, шаровая мельница или др.) 3, печь для прокаливания железооксидного шлама 4. Устройство для измельчения 3 служит для измельчения шлама сразу после просушки или после прокаливания.
Установка работает следующим образом.
Исходный влажный ЖОШ поступает в устройство для обезвоживания 1, где сырье освобождается от избытка влаги на центрифуге, в вакуум-фильтре, фильтр-прессе или другим известным способом. Например, влажность может снижаться с 99% до 50-40%. Далее ЖОШ подается в устройство просушивания железооксидного шлама до постоянной массы 2. Высушенное сырье направляется в устройство для измельчения железооксидного шлама (например, шаровая мельница или др.) 3. Устройство 3 может использоваться в трех вариантах: либо для измельчения ЖОШ после просушивания и прокаливания в печи 4, либо для измельчения просушенного ЖОШ с последующим прокаливанием в печи 4, или для измельчения готового пигмента в случае необходимости, например, при наличии спекшихся комков. В первом варианте ЖОШ подается в печь для прокаливания 4, где происходит его отжиг до температуры 800°С для получения пигмента ярко-красного цвета или до 600°С для получения пигмента коричневого цвета. После достижения указанной температуры печь выключается. В результате происходящих в этих условиях физико-химических процессов, связанных с перестройкой в кристаллической структуре, ЖОШ приобретает соответствующий цвет. После охлаждения до температуры окружающей среды ЖОШ измельчают в устройстве 3 и получают готовый пигмент. При необходимости (в случае образования спекшихся комков) готовый пигмент измельчают до порошкообразного состояния, предписанного нормативными документами. В состав установки может входить второе устройство для измельчения 5. В этом случае в устройстве 3 измельчается только ЖОШ, а в устройстве 5 - только готовый пигмент. Полученный порошок пигмента отгружается потребителю. Возможна и иная последовательность получения пигмента по заявляемой установке: вначале просушенный ЖОШ измельчают в устройстве для измельчения 3, а затем измельченный ЖОШ прокаливают в печи 4 до получения пигмента ярко-красного или коричневого цвета. Пигмент после охлаждения может быть подвергнут повторному измельчению в устройстве 3 или 5.
2
3
2
3
2
3
Температура обжига 600±10°С является оптимальной для получения пигмента коричневого цвета, так как при этой температуре преобладающей фазой является γ-FеО, увеличение температуры до 800°С приводит к переходу γ-FеОв термодинамически стабильную фазу α-FеО, обеспечивающую красный цвет пигмента. С экологической точки зрения красный железооксидный пигмент и его технология опасности не представляет. Пигмент не токсичен, пожаро- и взрывобезопасен. В его производстве не применяют токсичных, горючих, либо взрывчатых веществ. Отходов производства не образуется.
Достигаемый технический результат показан на конкретных примерах.
В качестве исходного сырья использовали образцы железооксидного шлама станции водоподготовки (обезжелезивания) Томского водозабора из подземных источников МУП Томский энергокомплекс» следующего минерального состава в мас.%:
Таблица 1
шлам из цеха
% содержание
SiO<sub>2</sub>
Fе<sub>2</sub>О<sub>3</sub>
Аl<sub>2</sub>О<sub>3</sub>
CaO
MgO
Потери при прокаливании
Образец 1
5,48
42,45
1,02
4,20
2,00
30,34
Образец 2
2,43
44,05
н/о
2,8
4,90
10.02
Образцы шлама из цеха 1 и 2 были подвергнуты обработке на заявляемой установке для получения железооксидных пигментов из шлама, как указано выше. Полученные образцы пигментов исследованы в лабораторных условиях.
Рентгенофазовый анализ прокаленного шлама при 800°С показал, что преобладающей фазой является α-гематит, что позволяет отнести полученные образцы пигмента к группе красных железооксидных пигментов. Для образцов 2 шлама рентгенографически (фиг.2) для наглядности показано, что полученные образцы пигмента относится к группе красных железооксидных пигментов. Внешний вид пигментов - порошки ярко красного цвета. Пигменты из образцов 1 тоже имеют ярко красный цвет.
Для доказательства возможности использования полученных пигментов в производстве строительных материалов проведены специальные эксперименты.
Общепринято, что количество пигментов, добавляемых в бетон, составляет 3-5% (1,5-2 кг на 50 кг цемента) - для пигментов с хорошей красящей способностью. Были изготовлены образцы цветного цемента и изучены их характеристики.
В эксперименте был использован цемент двух видов: серый (марки ПЦ500Д0) и белый (М250). Для получения образцов использовали раствор с соотношением цемент: песок=30:70. Полученный пигмент вводили в количестве 2, 3, 4 и 8% от массы цемента. Для приготовления раствора исходные компоненты перемешивались в сухом виде, затем затворялись водой в количестве, необходимом для получения раствора требуемой густоты.
Из полученного раствора формовали кубики с гранью 3 см в силиконовых формах на виброплощадке. Параллельно готовились контрольные образцы, не содержавшие пигмента. Для каждого состава было изготовлено по 6 образцов. Сформованные образцы в течение 20 ч твердели в ванне с гидравлическим затвором. Затем 4 образца каждого состава извлекались и пропаривались в пропарочной камере в течение 4 часов при 95°С. У образцов определялись цвет и прочность сразу после пропаривания, а 2 образца возвращали в ванну с гидравлическим затвором, где выдерживали в течение 28 суток для сравнения с образцами, твердеющими при нормальных условиях. Определены значения прочности для составов с серым и белым цементом, при различных условиях твердения. В табл.1 и 2 представлены результаты испытания образцов.
Таблица 2Результаты испытаний образцов, приготовленных на основе серого цемента
№ опыта
Количество пигмента, %
В/Т
Прочность при сжатии, МПа
Цвет
Пропаренные
28 суток, пропар.
28 суток, нормальное твердение.
1
0
0,2
25,4
28,2
51,5
серый
2
2
0,2
26,4
26,1
52,8
серо-розовый (бледный)
3
3
0,21
21,9
26,6
44,6
серо-розовый
5
4
0,21
19.1
31,2
40,9
светло-красный
6
8
0,22
17,6
26,5
33,1
красный
Таблица 3
Результаты испытаний образцов, приготовленных на основе белого цемента.
№ опыта
Количество пигмента, %
В/Т
Прочность при сжатии, МПа
Цвет
Пропаренные
28 суток, пропар.
28 суток, непропар.
1
0
0,2
16,9
26,1
24,2
белый
2
2
0,2
17,6
31,0
37,3
светло-розовый
3
3
0,21
16,1
21,6
28,9
розовый
5
4
0,21
16,6
27,6
24,4
светло-красный
Оптимальным содержанием пигмента в цементно-песчанной смеси по показаниям прочности при сжатии и цвету является 4%.
Таким образом, установка позволяет получить железооксидные пигменты из железосодержащих шламов водоподготовки, которые могут быть использованы в строительной отрасли. К тому же заявляемая установка отличается простотой и позволяет утилизировать отходы водоочистки.