способ получения заполнителя

Формула изобретения

Способ получения заполнителя из кремнистых камневидных пород, включающий их дробление, обработку поверхности щелочным стоком производства капролактама при перемешивании, обжиг и охлаждение, отличающийся тем, что дробление ведут до получения зерен фракции 10 - 15 мм, а обработку осуществляют водным раствором щелочного стока производства капролактама концентрацией 5 - 10% в течение 3 - 5 мин.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к производству строительных материалов, в частности к способам производства заполнителей из кремнистых (опоки и трепела) камневидных пород для конструкционных бетонов.

Известен способ получения легкого пористого заполнителя из шунгизита, включающий дробление шунгизитсодержащего сланца с последующей обработкой его нормальным раствором хлорида Na и Mg концентрации 0,05-6,0% в течение 1-360 мин, обжиг и охлаждение (см. SU N 537978, опубл. 24.03.77).

Недостатками известного способа являются низкая морозостойкость заполнителя и незначительное снижение температуры спекания.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения заполнителя из кремнистых камневидных пород, включающий дробление, обработку поверхности щелочным стоком производства капролактама при перемешивании, обжиг и охлаждение. (см. SU N 1726421 A, опубл. 14.04.92).

Целью изобретения является повышение прочности и морозостойкости заполнителя из кремнистого материала согласно способу, включающему дробление, обработку поверхности водным раствором натриевой соли адипиновой кислоты и охлаждение. Обработку осуществляют раствором щелочного стока производства капролактама концентрации 5-10% в течение 3-5 мин при перемешивании.

Поставленная цель достигается за счет того, что в способе получения заполнителя из кремнистых камневидных пород, включающем их дробление, обработку поверхности щелочным стоком производства капролактама при перемешивании, дробление ведут до получения зерен фракции 10-15 мм, а обработку осуществляют водным раствором щелочного стока производства капролактама концентрацией 5-10% в течение 3-5 минут.

Щелочной сток производства капролактама (ЩСПК)/ТУ 113-03-488-84. ЩСПК - щелочной сток производства капролактама (отход производства капролактама) /3/ представляет собой водный раствор натриевых солей кислых побочных продуктов воздушного окисления циклогексана. ЩСПК - негорючая жидкость коричневого цвета, непрозрачная, без механических примесей, плотностью 1,1-1,2 г/см³ с pH 10-13. Основным компонентом ЩСПК являются натриевые соли адипиновой кислоты, массовая доля которых составляет 18-30%. В качестве примесей могут присутствовать смолы до 10% и до 0,8% циклогексан.

Натриевая соль адипиновой кислоты - адипинат натрия имеет следующую сокращенную структурную формулу (CO₂Na)(CH₂)₄(CO₂Na). Адипиновая кислота относится к двухосновным карбоновым кислотам. Карбоновые кислоты являются слабыми кислотами, поэтому их соли подвергаются обратимому гидролизу. Уравнение гидролиза имеет вид

(CO₂Na)(CH₂)₄(CO₂Na) + 2H₂O ---> HOOC(CH₂)₄COOH + 2NaOH

Поэтому для раствора солей адипината натрия характерна щелочная реакция. Молекулы адипиновой кислоты состоят из полярных и неполярных групп. Полярные группы OH и COOH, а неполярные - углеводородные цепи. Такая двойственность в структуре определяет поведение молекул в растворе как поверхностно-активных веществ (ПАВ), полярная группа - гидрофильна, а неполярная - гидрофобна, молекулы ПАВ гидрофильной частью притягиваются к поверхности раздела фаз, образуя мономолекулярный слой.

В результате дробления пород на поверхности зерен возникают дефекты в виде макро- и микротрещин. При обработке таких зерен растворами, содержащими ПАВ, жидкость проникает в поры и трещины и на их поверхности адсорбируются поверхностно-активные вещества. Адсорбционному воздействию подвержены в первую очередь поверхностные дефекты - мельчайшие трещины или щели клиновидного сечения. Молекулы ПАВ проникают в клиновидные микротрещины через их устье на поверхности зерен, покрывают их равномерным (обычно мономолекулярным) адсорбционным слоем и перемещаются в ее глубину по обеим поверхностям до того места, где их проникновение ограничивается размером адсорбируемых молекул.

Природные кремнистые породы (диатомит, опока) имеют на поверхности отрицательный заряд. Такая поверхность адсорбирует из раствора противоположно заряженные ионы. При обработке водными растворами щелочного стока производства капролактама такими ионами будут ионы натрия.

Положительно заряженные катионы разделены от поверхности кремнистых пород двойным слоем воды: одним слоем прочно связанной воды вокруг зерен кремнистых пород, другой слой - слой гидратной воды вокруг катионов (фиг. 1б).

Образование на поверхности зерен кремнистых пород слоя прочносвязанной воды объясняется наличием вокруг отрицательно заряженных частиц силового поля, под воздействием которого молекулы воды своим положительным концом ориентируются по направлению к отрицательному заряду зерна и плотно окружают его поверхность, образуя мономолекулярный адсорбционный слой.

При отсутствии в растворе гидрофобных частиц или гидрофобных участков молекул вокруг катионов под воздействием их силового поля после слоя гидратной воды ориентируются слои менее связанной диффузионной воды, что способствует образованию на поверхности зерен утолщенного адсорбционного слоя (фиг. 1б).

При наличии в растворе двухосновной адипиновой кислоты наблюдается плоскостное закрепление адипинат-иона на поверхности через ионы натрия. Гидрофобные углеводородные цепи адипинат-иона устраняют в адсорбционном слое слой диффузионной воды (отсекают избыток воды), что в совокупности с плоскостным закреплением их на поверхности способствует резкому уменьшению толщины адсорбционного слоя (фиг. 1а).

Образование тонкой адсорбционной пленки оказывает благоприятное воздействие на поверхностный слой и на степень проникающей способности раствора вглубь зерен. В поверхностном слое пленка интенсифицирует физико-химическое отщипление пылевидных частиц и малопрочных участков за счет адсорбционного понижения прочности. Обработка зерен раствором щелочного стока производства капролактама, совмещенная с перемешиванием, обеспечивает удаление их с поверхности.

С уменьшением толщины адсорбционной пленки увеличивается проникающая способность раствора, что приводит к более глубокому обогащению трещин ионами натрия, а после обжига - к увеличению толщины спекшейся корочки и последующему повышению прочности и морозостойкости.

Предлагаемый способ иллюстрируется примерами, приведенными в табл. 1. Для экспериментов была использована опока Балашеевского месторождения Самарской области. Опоку подвергали дроблению. После дробления зерна размером 10-15 мм обрабатывались раствором ЩСПК разной концентрации в течение 2-10 мин. Для каждого опыта брали по 10 образцов. Образцы погружали в раствор ЩСПК соответствующей концентрации и обрабатывали при перемешивании определенное время. После обработки зерна раскалывали и измеряли глубину пропитки. Средние значения полученных результатов приведены в табл. 1. Из данных, представленных в табл. 1, следует, что с увеличением концентрации ЩСПК с 3 до 10% толщина пропиточного слоя увеличивается, но при концентрации более 10% изменяется незначительно. Оптимальная продолжительность обработки 3-5 мин.

Исходя из полученных данных для дальнейших экспериментов были приняты следующие условия обработки:

концентрация ЩСПК 5-10%,

длительность обработки - 3-5 мин.

Образцы после обработки высушивали в сушильном шкафу до остаточной влажности не более 20% во избежание растрескивания при обжиге и обжигали в лабораторной печи по известному технологическому режиму с последующим охлаждением.

В табл. 2 также приведены свойства необработанного заполнителя после обжига при 1100, 1150 и 1200^oC. Полученные данные показывают, что обработка сырцовой щебенки раствором ЩСПК концентрации 5-10% в течение 3-5 мин позволяет улучшить спекание, что подтверждается большой величиной усадки и большей прочностью при снижении температуры обжига на 50-100^oC по сравнению с необработанной и обработанной NaOH щебенкой и повысить морозостойкость.

Повышение прочности объясняется улучшением спекания за счет увеличения толщины спекшегося слоя по причине более высокой проникающей способности раствора ЩСПК. При обработке раствором ЩСПК трещины раскрываются на большую глубину, насыщаются Na и "залечиваются" натриево-силикатным раствором, начиная с температуры 789^oC.

Обработка заполнителя водным раствором ЩСПК концентрацией 5-10% в течение 3-5 мин обеспечивает достаточное насыщение пор и трещин катионами натрия для образования легкоплавких эвтектик, что способствует наиболее полному спеканию и повышению морозостойкости заполнителя.

При выходе за граничные пределы цель изобретения не достигается.

При концентрации раствора менее 5% не обеспечивается полного (достаточного) насыщения катионами натрия поверхностного слоя. Увеличение концентрации раствора более 10% нецелесообразно, т.к. приводит к ухудшению качества заполнителя ввиду появления значительного количества стеклофазы и последующего понижения прочности и морозостойкости.

Обработка зерен раствором ЩСПК при перемешивании продолжительностью менее 3 мин не обеспечивает полную очистку поверхности от пылевидных и малопрочных частиц и участков, а также достаточную степень насыщения ионами натрия. Увеличение времени обработки более 5 мин нецелесообразно, т.к. при этом увеличения глубины пропитки практически не происходит. Обработка в течение 3-5 мин позволяет полностью очистить поверхность, а поверхностно-активным веществам заполнить все поры и трещины.

Предлагаемый способ получения заполнителя из кремнистых камневидных пород позволяет получить морозостойкий высокопрочный заполнитель для конструкционных бетонов.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного. Признаки заявляемого способа не совпадают с признаками известного. Благодаря отличиям способа достигается новый положительный эффект, выраженный в повышении прочности и морозостойкости заполнителя. Кроме того, предлагаемый способ по сравнению с прототипом имеет и другие преимущества:

снижается стоимость заполнителя за счет сокращения продолжительности обработки,

повышается степень заводской готовности щелочного раствора,

решается экологическая проблема, так как утилизируется промышленный отход.