Результат интеллектуальной деятельности: ШИХТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНОСТЕКЛА

Изобретение относится к области строительных материалов, в частности к технологии получения пеностекла, предназначенного для тепловой изоляции строительных конструкций зданий и сооружений, а также в качестве звукопоглощающего, архитектурного и конструкционного строительного материала.

В настоящее время в строительстве в качестве конструкционного и отделочного материалов широко используется пеностекло. Этот материал изготавливается в виде блоков, отделочных плит и в виде гранул. Пеностекло представляет собой легкий пористый материал из стекла с равномерно распределенными ячейками (порами) диаметром 0,1-6 мм, разделенными тонкими стенками (Технология стекла. Л.М. Бутт, В.В. Полляк. М.: Госстройиздат, 1960. С.304). Ячеистое строение пеностекла может быть получено:

а) введением в состав стекольной шихты веществ, вызывающих обильное пенообразование в процессе варки стекла;

б) пронизыванием расплава стекла воздухом или другими газами;

в) вспениванием размягченного стекла под вакуумом;

г) вспениванием измельченного стекла пенообразующими веществами, например мыльным корнем, на холоде с последующим фиксированием структуры спеканием частиц стекла (холодный способ);

д) спеканием смеси порошкообразного стекла с газообразователем (порошковый способ) (Стекло. Справочник. А.А. Аппен, М.С. Асланова, Н.П. Амосов, М.В. Артамонова и др. Под ред. Н.М. Павлушкина. М., Стройиздат, 1973, 487 с. (С.164)

В промышленности для изготовления пеностекольных плит и блоков применяют в основном порошковый способ, который заключается в спекании смеси из тонкомолотого стекольного порошка с газообразователем. В качестве газообразователей могут быть использованы углеродные вещества (кокс, коксик, сажа), различные карбонаты (известняк, мрамор, доломит), пиролюзит и многие другие (Технология стекла. Л.М. Бутт, В.В. Полляк. М. Госстройиздат, 1960. С.304).

Блочное пеностекло имеет ряд качеств, которые делают его полезными как для сверхнизкотемпературной теплоизоляции (минус 180°C), так и для сверхвысокой (плюс 400°C). Влагопроницаемость и паропроницаемость пеностекла равны нулю. Пеностекло жаростойко, обладает высокой прочностью при низкой плотности. В отличие от ячеистых газонаполненных полимерных материалов, пеностекло устойчиво к химически и биологически активным средам, а также к термическому воздействию. Качество и показатели свойств блочного пеностекла зависят от его плотности, размера и распределения пор, толщины стенок пор, объемного водопоглощения и др.

К недостаткам пеностекла можно отнести большие затраты на оборудование, сырье и технологическую энергию.

Известны различные шихты, смеси, композиции, ингредиенты, которые применяются для получения конечного продукта - пеностекла. Применение тех или иных композиций для производства пеностекла может быть обусловлено целым рядом особенностей местных условий и задач, например наличием конкретной сырьевой базы, задачами экологии, составом и характером утилизируемого мусора и отходов, стоимостью энергоресурсов, потребностью и экономической целесообразностью применения пеностекла, конкретного назначения и заданных характеристик. Следствием этого многообразия является создание большого ряда составов и технологий, учитывающих конкретные особенности такого производства.

Так, например, в качестве основы, наиболее распространенных исходных шихт, используют бой силикатного стекла (Шилл Ф. Пеностекло. - М.: Издательство литературы по строительству, 1965, с.15-19; патент РФ №2307097, С03С 11/00, заявка №2005131266, опубл. 27.09.2007, бюл. №27). Достоинства таких шихт: дешевое исходное сырье; недостатки: сложность сбора и подготовки стеклобоя, невысокое качество пеностекла из-за непостоянства состава стекла стеклобоя, что не позволяет гарантировать стабильность качества пеностекла при механическом и автоматизированном производстве. Наиболее близкой (прототип) является шихта для получения пеностекла, содержащая 98,5-98,7 масс. % тонкомолотого до удельной поверхности 4000-4200 см²/г стекла состава, масс. %: SiO₂ - 70,6; СаO - 6,0; MgO - 2,7; Аl₂O₃ - 5,0; Na₂O - 13,8; Fe₂O₃ - 0,72; К₂O - 1,9; SO₃ - 0,3 и 1,5-1,7 масс. % газообразователя - антрацита (Демидович Б.К. Пеностекло. Минск, «Наука и техника», 1975, с.6-9). Достоинства применения подобной шихты: высокое качество пеностекла, обусловленное постоянством состава стекла; недостатки: высокая стоимость готовой продукции.

Технический результат, на решение которого направлено изобретение, заключается в утилизации совместного отхода производств энергонасыщенных материалов - тротила и нитробензола и удешевлении производства пеностекла с сохранением его качества.

Технический результат достигается тем, что в шихте для получения пеностекла, включающей тонкомолотые до удельной поверхности 4000-4200 см²/г силикатное стекло и газообразователь, в качестве силикатного стекла используют стекло состава, масс. %: SiO₂ - 60-72,5; СаО - 4,5-7,0; MgO - 1,5-3,5; Аl₂O₃ - 1,0-2,5; Na₂O - 12,5-16,5, изготовленное из совместного отхода производств тротила и нитробензола, а в качестве газообразователя используют доломит в количестве 1,5-2,2% от общей массы шихты.

Производство энергонасыщенных соединений, таких как тротил и нитробензол, сопровождается образованием значительного количества отходов. Так, например, при очистке тротила-сырца образуются десятки тысяч тонн сульфитного щелока - маточника производства тротила, содержащего натриевые соли сульфокислот несимметричных изомеров тротила, нитрофенолов, нитрокислот, нитрит и нитрат натрия, соду, сульфат и сульфит натрия, сульфид и хлорид натрия (Е.Ю. Орлова. Химия и технология бризантных взрывчатых веществ. Химия, 1973. - 688 с.).Зачастую производства тротила и нитробензола располагаются на территории одного предприятия. После получения нитробензола производят его отделение от нитрующей смеси кислот (азотной и серной), а затем промывку аммиачной водой. Маточник производства нитробензола содержит около 8-10% растворенных в воде органических (нитропроизводных бензола) и неорганических соединений, основным из которых является сульфат аммония.

Согласно действующего регламента, обезвреживание токсичного маточника производства нитробензола допускается производить совместно с сульфитными щелоками производства тротила. Для этого производят слив маточника нитробензола в хранилище с маточником (сульфитным щелоком) тротила. По принятой в настоящее время технологии смесь маточников тротила и нитробензола после предварительного упаривания до 30-40%-ной концентрации по твердому остатку, направляют на сжигание, а образующуюся золу в отвал. Под воздействием атмосферных осадков она превращается в токсичные стоки, загрязняющие грунтовые воды, что приводит к существенному ухудшению экологической обстановки.

Утилизация отходов крупнотоннажных химических производств путем их использования при получении стекла позволяет улучшить экологическую обстановку в районах производства тротила и нитробензола и значительно удешевить производство пеностекла с сохранением его качества.

Процесс изготовления силикатного стекла, и на его основе пеностекла заключается в следующем.

Отход производства энергоемких соединений - смесь маточников производства тротила и нитробензола после проведения химического анализа смешивается с необходимым количеством кремнезема. Внесение воды с раствором маточника в шихту способствует ее увлажнению, что, наряду с присутствием слабых щелочей в растворе, приводит к образованию на поверхности частиц кварцевого песка равномерно распределенной пленки щелочных соединений, а это, в свою очередь, благоприятно сказывается на процессах силикатообразования. Кроме того, увлажнение сырьевых материалов оказывает также благоприятное влияние и на однородность шихты (Химическая технология стекла и ситаллов. Артамонова М.В., Асланова М.С., Бужинский И.М. и др. Под ред. Н.М. Павлушкина - М., Стройиздат, 1983, с.65). Температура маточника должна составлять 50-60°С.Подготовленный таким образом кремнезем смешивают с остальными измельченными компонентами шихты, одним из которых является твердый совместный отход производств тротила и нитробензола - огарок маточников энергоемких соединений. Стоит отметить, что благодаря существующей технологии обезвреживания смеси маточников производства тротила и нитробензола методом сжигания, образующийся огарок представляет собой тонкодисперсную однородную композицию, не требующую длительного дополнительного измельчения. Типичный химический состав огарка смеси маточников тротила и нитробензола приведен в таблице 1.

Полученную шихту загружают в тигли, которые подают в печь при температуре 900-1100°С. Варку стекла осуществляют при температуре 1300-1350°С. Благодаря наличию в шихте карбонатов натрия, магния и сульфата аммония химические процессы в шихте начинаются при сравнительно низких температурах (330-350°С).

При 780-880°С происходит появление жидкой фазы за счет эвтектик силикатов магния и натрия с кремнеземом и двойных углекислых солей с Na₂CO₃ (Химическая технология стекла и ситаллов. Артамонова М.В., Асланова М.С., Бужинский И.М. и др. Под ред. Н.М. Павлушкина, - М, Стройиздат, 1983, С.107). Однако наличие в составе отходов различных солей натрия и аммония (ускорителей варки) приводит к появлению легкоплавких соединений, расплавы которых образуются раньше (Технология стекла. Бутт Л.М., Поляк В.В. - М., Гос. изд-во литературы по строительству, архитектуре и строительству, 1960. С.132-133).

Непосредственное участие в реакциях восстановления сульфата натрия принимают участие углерод (в виде сажи), который присутствует в огарке (от 1,1 до 5%), а также органические восстановители, внесенные в шихту в составе маточника энергоемких соединений и газообразные продукты его разложения СО, Н₂, СН₄ и т.п., которые создают восстановительную атмосферу в шихте. В случае низкого содержания сажи в огарке в шихту дополнительно вводят углеродсодержащий материал в виде угля или древесных опилок.

Восстановление сульфата натрия начинается при 740-800°С по реакции

Na₂SO₄+2С=Na₂S+2СO₂

Стоит отметить, что присутствующая в огарке и маточнике вода, ускоряет процессы образования силикатов. Это связано с образованием едкого натра, который взаимодействует с кремнеземом энергичнее, чем сода

Na₂S+2Н₂O=2NaOH+H₂S;

2NaOH+SiO₂=2Na₂SiO₃+H₂O

При 865°C начинаются процессы силикатообразования

Na₂SO₄+Na₂S+2SiO₂=2Na₂SiO₃+SO₂+S

CaO+SiO₂=CaSiO₃

Гомогенизация требуют повышения температуры стекломассы до 1300-1350°C. Присутствие сульфата натрия, хлорида натрия и сульфата аммония (до 3%) в шихте способствуют ускорению процесса изготовления стекломассы, ее осветлению и гомогенизации (Справочник по производству стекла. Под ред. И.И. Китайгородского. А.И. Бережной, Ю.А. Бродский, З.И. Бронштейн и др. Под ред. Н.М. Павлушкина, - М., Гос. изд-во литературы по строительству, архитектуре и строительству, 1963. С.160-162).

Для оценки качества стекломассы, получаемой на основе совместного отхода энергоемких соединений, были произведены лабораторные опытные плавки стекольных шихт: максимальная температура нагрева стекломассы составляла 1300-1350°С, а время выдержки расплавленной стекломассы при максимальной температуре нагрева - 35-60 мин. Стекольные шихты были рассчитаны на получение силикатного стекла состава: мас.%: SiO₂ 72,0; Аl₂O₃ 1,5; СаO 7,0; Na₂O 16,5; MgO 3,0. Для сравнения были изготовлены образцы стекломассы того-же состава из карбонатных шихт, приготовленных с использованием традиционных сырьевых материалов.

В таблице 2 приведен состав стекольных шихт для получения алюмомагнезиальной стекломассы состава, масс. %: SiO₂ - 72,0; СаО - 7,0; MgO - 3,0; Аl₂O₃ - 1,5; Na₂O - 16,5 и его характеристики.

Как видно из табличных данных, суммарное содержание совместного отхода производств тротила и нитробензола в составе шихты используемой для получения стекла по данному изобретению составляет более 35%, что значительно снижает стоимость шихты для получения стекла и позволяет полностью утилизировать текущие отходы производств тротила и нитробензола.

Методика получения пеностекла состоит в следующем: образцы силикатных стекол измельчают до частиц диаметром 0,2 мм и менее. В качестве газообразователя используют доломит в количестве 2% от общей массы шихты, который также измельчают до размера порошка 0,2 мм и менее. Подготовленные таким образом компоненты после взвешивания тщательно перемешивают, после чего подвергают совместному измельчению до удельной поверхности 4000-4200 см²/г. Полученную шихту загружают в разбираемую стальную форму. На внутреннюю поверхность стальной формы тщательно наносят тонкий слой (1,5-2 мм) пастообразной огнеупорной мастики «Мертель» на основе огнеупорного порошка и каолиновой глины. После обмазки формы мастикой ее подсушивают в печи при температуре 350°С в течение 15 минут.

Плотно закрытую форму с шихтой помещают в печь при температуре 450°С. В течение 15 минут печь нагревают до 800°С, после чего нагрев прекращают, и печь резко охлаждают до температуры 500-600°С, замораживая тем самым ячеистую структуру пеностекла. Далее следует отжиг пеностекла и охлаждение.

Были получены образцы пеностекла на основе стекол, изготовленных из совместного отхода производства тротила и нитробензола и традиционных материалов. Качество образцов пеностекла приведено в таблице 3.

Как видно из полученных результатов качество образцов пеностекла, полученных из совместного отхода производств тротила и нитробензола и традиционных материалов практически одинаково. Характеристики образцов пеностекла, полученных на основе опытной и традиционной шихт, соответствуют основным показателям промышленных образцов пеностекла, изготовляемого, например, для теплоизоляционно-конструкционных блоков (Изделия и материалы из пеностекла. Технические условия ТУ 5914-001-73893595-2005. Разработаны в ЗАО «Пермское производство пеносиликатов»).

Таким образом, получение образцов пеностекла на основе силикатного стекла, изготовленного из совместного отхода производств тротила и нитробензола, приводит к удешевлению пеностекла без снижения его качества.