Диатомитті модифицирлеу негізінде оңтайлы, сапалы құрамын жасақтап, екіншілік шикізат ретінде қолдану мүмкіндіктерін анықтау

Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 19 бет
Таңдаулыға:

Титулка

Титулка

Мазмұны

КІРІСПЕ

Зерттеу тақырыбының өзектілігі.
Қазіргі таңда өндірістің энергия шығындарын азайту мен қоршаған ортаға түсетін техногенді ауыртпалықты азайту, сонымен қатар қайта өңделген өндіріс қалдықтарын екіншілік шикізат ретінде пайдалану өткір мәселелердің бірі болып табылады.
Дамыған елдерде өндіріс қалдықтарын басқару, осы қалдықтарды қайтадан пайдалану, утилизациялаудың артықшылықтарын көрсету, қалдықтардың мөлшерін азайту, қалдықтарды қауіпсіз әдістермен жою әдістері кеңінен таралған.
Осыған байланысты, екіншілік шикізаттар алу мақсатында композициялық материалдар жасақтау үшін қолданылатын модификаторлардың оңтайлы, тиімді құрамын әзірлеу мен енгізу қазіргі таңда ғылыми және практикалық қызығушылық тудырып қана қоймай, дайындауды, практика жүзінде жүзеге асыруды қажет етеді.
Қазіргі уақытта органикалық және минералды гидравликалық байланыстырғыштар тобы белгілі: магнезиальді, карбонатты цемент, ангидритті, глинозем және қож цементі негізінде жасалған модификаторлар. Құрамы сәтті жасақталған тиімді байланыстырғыштар негізінде қажетті қасиеттері бар екіншілік шикізаттар алу жолындағы зерттеулер өзекті болып табылады.
Зерттеу мақсаты. Диатомитті модифицирлеу негізінде оңтайлы, сапалы құрамын жасақтап, екіншілік шикізат ретінде қолдану мүмкіндіктерін анықтау.
Міндеттері.
1.Құрамы тиімді жасақталған модификаторлардың әртүрлі тобы мен қасиеттері туралы әдебиет көздері мен мәліметтерді жинақтау, жүйелеу және талдау;
2.Тәжірибе негізінде өндіріс қалдықтары мен жергілікті минералдық материалдарды қолдана отырып, құрамын талдау;
3.Тәжірибе нәтижелері негізінде модификаторлардың екіншік шикізат ретінде қолдану мүмкіндіктерін анықтау.
Зерттеу нысаны. Мұнайгазконденсатты кен орындарының өнеркәсіп қалдықтары, минералдық материалдар (грунт, сазды қоспалар, ізбес, микрокеуекті кремнийлі шөгінді жыныс, т.б.)
Зерттеу пәні. Екіншілік шикізат алуға тиімді модификаторлардың оңтайлы құрамының жасақталу әдістері.
Зерттеу әдістері.
Жалпы ғылыми әдістер: ғылыми әдебиеттегі мәліметтерге анализ жүргізу, тәжірибелер (зертханалық) арқылы салыстыру, қарау жұмыстарын жасау, тәжірибеден алынған мәліметтерді өңдеу, зерттеу;
Зерттеу нысанының химиялық және технологиялық қасиеттерін талдаудың химиялық және физика-химиялық әдістері;
Эксперименттік жұмыстардың қорытындыларына талдау жасап, оларды математикалық өңдеу.
Зерттеудің практикалық маңыздылығы. Минералды материалдардың жергілікті көздерін таңдай отырып, жоғары сапалы, оңтайлы модификаторлар жасақтау маңызды мәселе болып табылады. Ал, оларды әрі қарай өндіріске енгізіп екіншілік шикізат ретінде қолдану экономикалық тиімді, қоршаған орта жағдайын реттеуге септігіні тигізеді.
Зерттеу базасы: М.Өтемісов атындағы БҚУ Экология және биогеохимия сынақ зертханасы.

1. Толтырғыштардың түрлері
Қазіргі заманғы құрылыс материалтану ғылымының басты міндеті-алдын-ала анықталған қасиеттері бар жергілікті материалдар мен өндірістің жанама өнімдерін және оларды алудың ұтымды технологияларын қолдана отырып арзан, тиімді материалдар жасау. Осыған байланысты цемент композицияларын өндіріс қалдықтарымен және жергілікті тау жыныстарымен толтыру арқылы материалдар алу перспективалы болып табылады.
Толтырғыштарға ерікті түрдегі, пішіндегі және беттік белсенділіктің дискретті құрылымдық элементтері кіреді, олардың мөлшері қоршаған материалдағы деформациялар мен шиеленістердің маңызды өрістерін құруға шақырмайды, бірақ олардың өзара әрекеттесу байланыстары арқылы құрылым құруға қатысуына ықпал етеді [8,53,56]. Бұл жағдайда толтырғыштар химиялық белсенді және химиялық инертті болуы мүмкін [14,36,37,42,88].
Қазіргі уақытта цемент композицияларында кальций карбонаттарын, әктас, кварц құмын және басқа да жанама өнімдерді қолдану мүмкіндігі туралы зерттеулер жүргізілуде. Жұмыста [59] кальций карбонаты негізіндегі қалдықтар 30% цементті толтырғыш ретінде алмастырды, қарқынды бөлек технологияны қолданды. Цемент композицияларын белемнитпен (негізінен СаСО3- тен тұратын моллюскалық шөгінділердің өнімі) және күлмен толтыруға арналған жұмыс [44]. Беріктікті төмендетпей, цементті 30% - ға дейін үнемдеуге қол жеткізілді. Кварц құмының, әктастың және күл-қоқыстың шағын қоспаларының әсері жұмыста зерттелді [77], ал диатомит пен цемент шаңы [47,79]. Оңтайлы толтыру цемент массасының 30% құрайды. Толтырудың одан әрі артуы беріктіктің төмендеуіне әкеледі. Пісіру үшін турбулентті типтегі жоғары жылдамдықты араластырғыш та қолданылды.
Берілген [2,3,4,48,51] жұмыстарда нефелин шламы, цемент шаңы толтырғыш ретінде пайдаланылды. Цементке кешенді қоспалар [5,1,6] еңбектерінде зерттелді. Оларға пайдаланылған қалыптау қоспалары (ПҚҚ), ферросилиций өндірісінің қалдықтары жатады (ФӨҚ).
Зерттеушілер [9,18,88,90] шлактар сияқты минералды толтырғыштардың химиялық белсенділігін атап өтті. Әдетте, бұл қышқыл және ультра қышқыл шлактар, әйнек тәрізді фазаның көп мөлшері және SiO2 мөлшері көп. CaО және MgO саны шамалы.
Ваграндық қождарының фазалық құрамы мен құрылымы, химиялық құрамы мен салқындату жылдамдығына байланысты. O.A. Есиннің иондық теориясына сәйкес, қождың сұйық балқымасы гетерогенді және қарапайым катиондардан (Cа2+, Mg2+, Na+, Mn2+ және т. б.), оттегі мен күкірт аниондарынан, сондай-ақ оттегі атомдарымен коваленттік байланыс арқылы байланысатын кремний, фосфор және алюминий қосылыстарының аниондарынан тұрады [(SiO4)4-, (AlO4)5- және т.б.]. Мұндай микрогетерогендік топтар тез салқындату (түйіршіктеу) арқылы шлак әйнегіне бекітіледі.
Қож әйнегі құрылымының қолданыстағы теорияларында көп фазалық және микрогетерогенді әйнек туралы болжам жалпы болып табылады. Сонымен қатар, кристаллиттер деп аталатын құрылымы мен реттілігі бойынша кристалл торларына жақын аймақтар бар. Негізгі оксидтер кристалдарда шоғырланған, бұл глинозем - кремнийлі құрамы бар қождың негізін азайтады.
Қождың химиялық метатұрақтылығы және онымен байланысты гидравликалық белсенділігі көптеген факторларға байланысты - қожды балқыманың салқындату алдындағы температурасы, оның химиялық құрамы, түйіршіктеу жылдамдығы, салқындатқыш заттың түрі (су, ауа, бу) [62].
Осыған сүйене отырып, қождың гидравликалық белсенділігі химиялық, минералогиялық құраммен және кристалды және шыны тәрізді фазалардың қатынасымен анықталады деп қорытынды жасауға болады.
Цемент құрамы төмен берік құрылыс материалдарын алу өзекті мәселе болып қала береді. Бұл мәселені шешу байланыстырғыш заттар өндірісінің көлемін арттырмай, арзан құрылыс материалдары мен бұйымдары өндірісінің көлемін ұлғайтуға мүмкіндік береді.
Цемент тестін толтырудың теориялық алғышарттары В.И. Соломатовтың композициялық құрылыс материалдарының полиқұрылымдық теориясы (КҚМ) қағидаттарына негізделеді [66, 69, 70]. Цементті ылғалдандыру толығымен жүрмейтіні және цемент тасындағы цемент дәндерінің ядролары ұзақ уақыт сақталатындығы көрсетілген. Оларды қатайтуға қолайлы жағдай жасамас бұрын, олар толтырғыштар рөлін атқарады, содан кейін ылғалдандырылып, цемент тасының беріктігін арттырады. Демек, цементтің едәуір бөлігін басқа, аз белсенді қоспалармен алмастыруға болатындығы анық. Бұл жағдайда цемент тасын ұзақ және терең ылғалдандыру үшін жағдайлар жасалады, толтырғышты дұрыс таңдау, оның дисперсиясы мен белсенділігі, клинкер байланыстырғышының көп бөлігін цемент шаңымен, жер қожымен, опокамен, диатомитпен және т. б. ауыстыруға болады.
Соңғы жылдары жүргізілген байланыстырғыштардың құрылымдық зерттеулері дисперсті толтырғыштың беттік энергиясын азайтуға тырысып, кластерлер ретінде топтастырылғанын көрсетті [16,67,71,73]. Кластерлердің пайда болуы араластыру кезінде толтырғыш бөлшектердің соқтығысуы мен жақындауына байланысты.
Беріктіктің толтыру дәрежесіне тәуелділігі өте жоғары. Сонымен қатар, ол әртүрлі пішінге ие болуы мүмкін, бұл бөлшектердің мөлшеріне және берілген кернеуге әсер етеді. Жұмыста [25] композиттер екі топқа жіктеледі: аз толтырылған (V=0-0,3) және жоғары толтырылған (V= 0,3-0,7), біріншісі - үлкен деформация және соққы тұтқырлығымен, екіншісі - жоғары серпімді және сынғыш модулімен ерекшеленеді.
Микроқұрылымның қасиеттері толтырғыштың дисперсиясына да байланысты. Толтырғыш пен байланыстырғыштың шекарасында жылу кеңею коэффициенттері мен серпімді модульдердің айырмашылығына байланысты құрылымдық кернеулер мен микрожарықтар пайда болатыны белгілі. Алайда, толтырғыш бөлшектер жарықтардың пайда болуының бастамашысы ғана емес, сонымен қатар бөлшектің белгілі бір мөлшері мен орналасқан жерінде бастапқы жарықты тоқтата алады.
Жұмыста [50] өлшемдері матрицаның кристаллиттерінің мөлшеріне жақын толтырғыш бөлшектері бар композиттердің күші азаяды, өйткені бұл жағдайда толтырғыш бөлшектер жарықтың алдыңғы жолын арттырмайды.
Толтырғыштың өте жоғары дисперсиясы бөлшектердің құрғақ түрінде агрегаттауға бейімділігіне байланысты жағымсыз.
Өз кезегінде, толтырғыш бөлшектердің мөлшерінің ұлғаюы олардың беттік энергиясының төмендеуіне, демек, композициялық материалдардың беріктігін төмендетуге ықпал ететін когезия энергиясының төмендеуіне әкеледі. Тек оңтайлы дисперсиямен толтырғыштың жарық пен деструкция жоюдың қайнар көзі ретіндегі рөлін азайтуға немесе жоюға болады.
Осылайша, белгіленген теориялық заңдылықтар толтырғыштың көлемдік концентрациясы байланыстырғыштың көлемдік концентрациясынан аспайтын толтырылған материалдарға жатады. Егер толтырғыштың көлемі байланыстырғыштың көлемінен едәуір асып кетсе және байланыстырғыш бөлшектер толтырғыштың матрицасында орналасса, материалдың полиқұрылымы оның кластерлік құрылымы сияқты сақталады, алайда [23,24,75,76,77] жұмысында орнатылған көптеген заңдылықтар бұзылуы мүмкін. Цементтің көлемінен 2-4 есе артық толтырғыш болған кезде, толтыру дәрежесінен беріктіктің өзгеруі экстремалды қисықтың құлаған тармағымен көрінеді және беріктік экспоненциалды түрде нөлге жақындауы мүмкін. Сондықтан, "толтырғыш - цемент" қатынасы 3-4-ке жақындаған құрылыс материалдары, егер толтырғыш тәуелсіз тұтқыр қасиеттерге ие болса, тиімді болуы мүмкін, бірақ олар сулы ортада ылғалданатындарға қарағанда төмен және қатайтатын құрылымдар құрмайды. Көрсетілген ереже [113] жұмыста ұсынылған толтырғыштардың жіктелуіне сәйкес келеді. Осы классификацияға сәйкес барлық толтырғыштар 3 топқа бөлінеді:
Бірінші топ - дисперсті толтырғыштарды қамтиды, олар өздігінен қатаяды, құрылымды қалыптастыру мерзімі өте созылған, үлкен индукциялық кезеңі бірнеше күнге жетеді. Бұл мәні бойынша белсенділігі төмен тұтқырлықтар-негізгі және бейтарап қождар, күл, күл-қож қалдықтары. Оларға айналмалы пештердің цемент шаңы да кіреді.
Екінші топ - белсенді кремнеземді және глиноземді минералды қоспалар-жоғары қышқылды күл мен шлактар, белсенді микрокремнезем, опока, трепел, диатомиттер, цементті гидратациялау өнімдерімен өзара әрекеттеседі.
Үшінші топ - цемент гидратация өнімдерімен өте төмен реакциялық белсенділігі бар дисперсті толтырғыштар - жер граниттері, диориттер, габбро, диабаза, әктас.
Жұмыста мақсаттарды жүзеге асыру үшін алғашқы екі топтың толтырғыштарының өкілдері қолданылды, олардың дұрыс таңдауы төменде келтірілген.

1.2 Кремнийлі минералдар
Кремнезем SiO2 - табиғаттағы ең көп таралған зат. Орташа есептеулер бойынша жер қыртысында 58,3% кремний бар, ал таза жыныстар түрінде (кварц, опал, халцедон) - шамамен 12,0%. А.Е. Ферсманның айтуынша, литосферада 26,0% кремний және 43,13% оттегі бар. А.П. Виноградов жер қыртысының әртүрлі жыныстарындағы кремнийдің құрамын 24,0 - 32,3% шегінде, ал оттегінің - 42,5 - тен 52,8% - ға дейін бағалайды [9].
Ол табиғатта әртүрлі пішінде кездеседі:
кристалды кварц (тау хрусталі, кварцты құмдар);
жасырын кристаллды: халцедон, агат, яшма, Флинт;
аморфты:
- вулкандық тау жыныстары (пемза, перлит, обсидиан) [7, 10];
- шөгінді тау жыныстары (диатомит, опока, трепела) [7].
Соңғы уақытта кремний диоксиді жасанды түрде шығарыла бастады-негізінен таза кварц әйнегін өндіру үшін.
Кремний диоксиді (кремнезем) SiO2 түссіз кристалды, аморфты немесе шыны күйінде болуы мүмкін [8, 12].
Кремнеземның формуласын SiO2 Д.И. Менделеев ХІХ ғасырдың елуінші жылдарының соңында кремнийдің атомдық салмағын анықтағаннан кейін анықтады. Бірақ кремнеземнің полимерлі құрылымы туралы гипотеза айтылды: "...сондықтан сусыз кремнийде... SiO2 қосылысы емес, SinO2n күрделі бөлшегі, яғни кремнеземнің құрылымы эмпирикалық формуласы көрсеткендей қарапайым емес, күрделі полимер болып табылады" [10].
Кремнеземнің полимерлік құрылымы туралы гипотеза Д.И. Менделеевтің силикаттар мен әйнектер туралы белгісіз химиялық қосылыстар немесе қорытпаларға ұқсас ерітінділер туралы идеяларымен бірге бүгінгі күнге дейін өзінің негізгі мағынасын сақтап келеді.

1.2.1 Вулканнан шыққан кремнийлі тау жыныстары
Вулкандық шығу тегі жоғары кремнийлі жыныстарға обсидиандар, перлиттер, пехштейндер жатады.
Аймақтық құрылымы бар қышқыл лава ағындары салқындағаннан кейін кеуекті әйнектердің (пемза) жоғарғы қабаты мен тығыз әйнектер (обсидиан) арасында тереңдіктен кристалданған жынысқа (минералдарға), суланған (гидратталған) перлит әйнектерінің қабатына айналады. Бұл ылғалдандыру миллиондаған жылдарға созылады және оның дәрежесі (1.1-кесте) перлит жынысының технологиялық қасиеттерін анықтайды.
1 - кесте - Вулкандық әйнектердің айрықша қасиеттері.
Атауы
Химиялық құрамы
Кеуектілігі
Судың құрамы және құрылымдық ерекшеліктері
Технологиялық қасиеттері және өңдеудің негізгі түрлері
Обсидиан
65% - дан астам SiO2 (қышқыл шыны)
Тығыз
1% - дан аз, жылтыр
шыны
Ұзақ күйдіру кезінде бір уақытта ісінеді
Перлит

5-30%
1% - дан көп (әдетте 2,5-6 %), кейде жылтыр шарларға бөлінеді
Қысқа мерзімді қыздыру кезінде бір немесе екі рет ісінеді
Пехштейн

1% - дан көп (әдетте 6 %); "майлы" жылтыр, әйнекте кристалдану басталады
Нашар ісінеді
Пемза

30%
1% - дан астам, көлемдік салмағы ~0,5 г см3, үлкен және ұсақ тесіктер
Табиғи түрде қолданылады
Тахплит,
палогонит
SiO2 65% - дан кем (негізгі және орта құрамдағы шыны)
Тығыз
Шамамен 1%," майлы " жылтыр
Ісінбейді, технологиялық тұрғыдан нашар зерттелген
Вулкандық қож

Борпақ
Үлкен кеуектер, кеуек қабырғалары берік
Табиғи түрде қолданылады

Кейінгі зерттеулер көрсеткендей, перлиттер тек обсидианның беткі ылғалдануы нәтижесінде ғана емес, сонымен қатар тұтқыр шыны тәрізді лаваның салқындауы кезінде де пайда болуы мүмкін. Лавадағы судың бір бөлігі бастапқыда балқыманы газсыздандыру кезінде бөлініп үлгермейді, әйнекте қалады. Мұндай перлиттер "бастапқы" деп аталады. Бастапқы перлиттер ең жоғары технологиялық қасиеттерге ие. Алғаш рет бастапқы перлиттер В. В. Наседкин Шикізат түрі ретінде анықтады [15, 16]. Перлиттердің жалпы қоры - 30000 мың тоннадан астам [7].
Алайда, пайда болу сипаты, әйнектердің сапасы, өндіру, тасымалдау және пайдалану шарттары бойынша бұл кен орындары бір-бірімен тең емес. Географиялық тұрғыдан олар жас вулканизм аймақтарында орналасқан, өйткені әйнектер негізінен жер бетіне жақын геологиялық жас жыныстардың арасында сақталуы мүмкін. Бұл аймақтар Карпат, Қырым, Кавказдан Солтүстік Памир, Оңтүстік және Шығыс Қазақстан, Забайкалье және Қиыр шығыс аудандары арқылы Приморье, Камчатка және Чукоткаға дейін созылатын ТМД елдері мен Ресейдің үлкен аймағына тән.
Перлиттерді технологиялық өңдеуде олардың геологиялық тарихымен тікелей байланысты жағдайлар өте маңызды: судың әйнекпен байланысының табиғаты және жыныстың минералогиялық ерекшеліктері - кеуекті құрылымы, мөлшері, түрі және кристалды қосылыстардың таралуы [8,18-19].

1.2.2 Шөгінді кремнийлі жыныстар
Шөгінді тектес кремнийлі аморфты тау жыныстар тобына негізінен опал кремнеземнан тұратын, әдетте белгілі бір дәрежеде кристалданған шөгінді және вулкан-шөгінді жыныстар кіреді. Бұл бір жағынан, негізінен кремнийлі қаңқалардан (немесе олардың сынықтарынан) тұратын жұқа кеуекті жыныстар диатомдар, радиолариялар, силикофлагеллаттар, губкалардың спикулалары және т.б. немесе ең кішкентай опал-кристобалитикалық бөлшектер (көбінесе глобулярлы құрылым); екінші жағынан - тығыз жыныстар, кремнезем ұсақ кристалды кварц пен халцедоннан тұрады.
Генетикалық, петрографиялық және микро құрылымдық белгілердің жиынтығына негізделген кремнийлі аморфты тау жыныстарының бірқатар жіктеу схемалары ұсынылған [7].
Негізінен микроорганизмдердің кремнийлі қаңқаларынан құралған жыныстар
Диатомиттер - бұл диатомит балдырларының ең кішкентай Опал жапырақтарынан (немесе олардың сынықтарынан) тұратын жеңіл, жұқа кеуекті жыныстар[7].
Тұтас қанқалардың болуы диатомиттердің сапа көрсеткіштерінің бірі бола алады, бірақ бұл үлгі сақталмауы мүмкін, өйткені олардың мөлшері 0,005 - 0,001 мм-ден 0,1 - 0,2 мм-ге дейін өзгереді.
Диатомиттердің түсі ақ, сарғыш-сұр, ашық сұр, кейде қою сұр және қоңыр-күкірт
Диатомиттердің қара және қоңыр түсі жұқа таралған органикалық материал мен өсімдік қалдықтарының болуымен байланысты. Сары және сары-қоңыр түс белгілі бір жерлерде субпараллельді жолақтарда бәсекелесетін бос темір оксидтерінің болуына байланысты.
Диатомиттің беріктігі төмен, ол әдетте жыныстардың жасына, метаморфизм дәрежесіне және сазды материалдың құрамына байланысты. Көбінесе палеоценнің диатомиттері ең жоғары беріктікпен сипатталады (2,94-3,43 МПа дейін).
Негізінен құрылымсыз (тұрақты емес және глобулярлы) опал бөлшектерінен тұратын тау жыныстары.
Опокалар-бұл жеңіл, тығыз, жұқа кеуекті кремнийлі жыныстар, олар негізінен ең кішкентай (0,005-0,001 мм-ден аз) изометриялық және тұрақты емес опал-кристобалит бөлшектерінен тұрады және диатомиттер мен трепелдерге қарағанда қаттылықпен және үлкен көлемдік салмақпен сипатталады.
Петрографиялық белгілерге сәйкес опокалардың арасында келесі түрлерін ажыратуға болады:
опоктар"қалыпты" сұр және қара-сұр түсті, жартылай ақауы бар, жұқа кеуекті (гигроскопиялық), олардың басым көлемді салмағы 1,2 - 1,3x103 кгм3 шегінде, беріктігі 4,9 - 19,6 МПа шамасында болады.
күңгірт опокалар, түсі сұр және қою сұр, берік, сыңғырлаған, қабыршақта сынығы бар; олар ең үлкен ... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.