Масса для изготовления строительных изделий и способ ее получения

 

Изобретение относится к производству строительных изделий на основе магнезиально-гипсового вяжущего, в частности, к получению строительных изделий на основе отхода производства монохромата натрия - отбросных шламов хроматного производства и может быть использовано на предприятиях, производящих строительные материалы или на заводах хромовой отрасли. Задача изобретения - утилизация отбросных шламов хроматного производства с одновременным получением на его основе строительных материалов, расширение области их применения за счет нетоксичной массы, повышение качества изделий и удешевление процесса. Изобретение состоит в том, что масса для изготовления строительных изделий состоит из смеси обезвреженного шлама хроматного производства, органического наполнителя, серной кислоты и воды при следующих соотношениях компонентов, мас.%: шлам хроматного производства 46,0-61,0; серная кислота - 11,0-21,5; органический наполнитель - 4,0-10,0; вода - остальное. Способ получения массы для изготовления строительных изделий заключается в том, что хроматный шлам в количестве 20-50 мас.% от исходного смешивают с водой в массовом соотношении, обеспечивающим Т:Ж в смеси 1:1 - 3 соответственно, вводят кислоту из расчета массового соотношения шлам _магн.: H₂SO₄ в пределах 0,9-1,65 и после перемешивания реакционной смеси в течение 20-60 мин при температуре 80-90^oC, в полученное магнезиально-гипсовое вяжущее вводят органический наполнитель и остальное количество шлама, а полученную массу подсушивают до влажности 5-15 мас.% формуют и отверждают. Для предотвращения обратного процесса перехода хрома (III) из водонерастворимого состояния в соединения хрома (VI) в массу может быть введен серусодержащий восстановитель в количестве 0,1-0,5 мас.% от введенного шлама. В качестве серусодержащих восстановителей используют серу, сульфид, сульфит или тиосульфат натрия. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к производству строительных изделий на основе магнезиально-гипсового вяжущего, в частности, к получению строительных изделий на основе отхода производства монохромата натрия отбросных шламов хроматного производства и может быть использовано на предприятиях, производящих строительные материалы, или на заводах хромовой отрасли.

Известна масса для дорожного строительства, состоящая из отбросного шлама хроматного производства и сульфитно-бардяных концентратов [1] Известна масса для получения огнеупорных материалов, цемента и силикатного кирпича, состоящая из хроматного шлама и песка [1] К основным недостаткам известных композиций следует отнести существенную ограниченность областей применения изделий, изготовленных на основе отбросных хроматных шламов, содержащих соединения шестивалентного хрома.

Известен способ получения массы для изготовления силикатного кирпича, заключающийся в том, что хроматный шлам предварительно гидротермальной обработке с целью гидратации оксида магния, смешивают с песком и подвергают прессованию под давлением 160-200 кгс/см³ [1] Недостатками известных масс и методов их получения является малая эффективность и ограниченность применения готовых изделий.

Наиболее близкой к предполагаемой, является масса для изготовления цемента, содержащая, мас. 42-94 активного оксида магния, 5-38 сульфата магния, который может быть смешан с хлоридом магния, 1-20 органического наполнителя, в качестве которого используют древесную массу и/или неорганического наполнителя, в качестве которого используют стекловолокно [2] Способ получения известной массы включает смешение водного раствора сульфата магния (или сульфата и хлорида магния) и наполнителя с оксидом магния. Получающиеся из нее изделия используются в основном для производства строительных материалов, обладающих небольшой массой, негорючестью и хорошими теплоизоляционными свойствами [2] Недостатком известной массы и способа ее изготовления является то, что в ее состав входят сравнительно дефицитные и относительно дорогостоящие компоненты, например, такие как, активный оксид магния и соли последнего, что существенно удорожает изготовляемые из нее строительные изделия.

Техническая задача предлагаемого изобретения утилизация отбросных шламов хроматного производства с одновременным получением на его основе строительных материалов, расширение области применения последних за счет получения нетоксичной массы, повышение качества изделий и удешевление процесса.

Задача достигается тем, что заявляемая масса и способ ее получения отличаются от известного решения тем, что в качестве магнийсодержащего соединения и неорганического наполнителя используют предварительно обезвреженный (свободный от соединений шестивалентного хрома) шлам хроматного производства.

Процесс обезвреживания хроматного шлама состоит в том, что присутствующий в нем хром /VI/ переводят в соединения хрома /III/. Достигается это путем его обработки в щелочном растворе серосодержащими восстановителями при 120-160^oC. При этом соединения хрома /VI/, как водо-, так и кислоторастворимые, переходят в водонерастворимые соединения хрома /III/.

Шлам хроматного производства является крупнотоннажным неутилизируемым отходом заводов хромовой отрасли. Состав последнего может быть представлен такими основными минеральными фазами и продуктами их гидратации, как алюминаты, гидроалюминаты, хромато-алюминаты, силикаты, алюмоферриты кальция, оксид магния, гидроксиды магния, алюминия, кальция, сульфаты и хроматы кальция, натрия и др. В сухом шламе хроматного производства содержится, в пересчете на оксиды, мас. 2-3,7 CrO₃, 7-9 Cr₂O₃, 23-28 MgO, 28-32 CaO, 10-12 Fe₂O₃, 6-8 Al₂O₃, 4-6 SiO₂ [1, с.104, 113] В качестве органического наполнителя используют целлюлозосодержащее сырье, например, древесную массу, выпускаемую по ГОСТ 18110-72 или отходы лесопиления, либо лигнинсодержащее сырье, например, гидролизный лигнин. Состав и свойств последнего описаны в монографии.

Сущность изобретения состоит в том, что масса для изготовления строительных изделий состоит из смеси магнийсодержащего соединения, неорганического и органического наполнителя, серной кислоты и воды, причем в качестве магнийсодержащего соединения и неорганического наполнителя используют обезвреженный шлам хроматного производства при следующих соотношениях компонентов, мас. шлам хроматного производства 46,0-61,0; серная кислота - 11,0-21,5; органический наполнитель 4,0-10,0; вода остальное.

Способ получения массы для изготовления строительных изделий заключается в том, что хроматный шлам в количестве 20-50 мас. от исходного (так называемый шлам_магн) смешивают с водой в массовом соотношении, обеспечивающим Т:Ж в смеси в пределах 1: 1-3, вводят кислоту из расчета массового соотношения шлам_магн:H₂SO₄ в пределах 0,9-1,65 и после перемешивания реакционной смеси в течение 20-60 мин при температуре 80-90^oC в полученное магнезиально-гипсовое вяжущее вводят органический наполнитель и остальное количество шлама (так называемый шлам_нап.); полученную массу подсушивают до влажности 5-15 мас. формуют и отверждают. Для предотвращения обратного процесса перехода хрома /III/ из водонерастворимого состояния в соединения хрома /VI/ в массу может вводиться серусодержащий восстановитель. В качестве серусодержащих восстановителей используют серу, сульфит, сульфит или тиосульфит натрия. Восстановитель вводят в количестве 0,1-0,5 мас. от введенного шлама.

Сравнительная оценка предлагаемой и известной массы для изготовления строительных изделий и способа ее получения позволяет выявить следующие отличительные признаки: качественный и количественный состав заявляемой массы и порядок и режимы способа получения заявляемой массы.

Все вышеизложенное позволяет нам сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию "Новизна".

В научно-технической литературе описаны способы получения строительных изделий, базирующиеся на введении в состав сырьевых композиция для изготовления строительных материалов (для дорожного строительства, силикатного кирпича, цемента и др.) отбросных шламов хроматного производства. Однако использование изобретения позволяет получать изделия, не содержащие токсичного шестивалентного хрома и отличающиеся повышенной плотностью и механической прочностью. Этот эффект обеспечивается использованием обезвреженного шлама хроматного производства, с одной стороны, и магнезиально-гипсового вяжущего, получаемого на его основе и представляющего собой смесь водорастворимых и нерастворимых продуктов сернокислотного разложения шлама хроматного производства, с другой.

Синтез магнезиально-гипсового вяжущего осуществляют путем сернокислотного разложения части шлама хроматного производства в количестве 20-50 мас. от исходного при температуре 80-90^oC в течение 20-60 мин. Полнота взаимодействия серной кислоты со шламом, достигаемая при заявляемых параметрах процесса и обеспечивающая высокую степень разложения его минеральных фаз, приводит к получению достаточно реакционной смеси магнезиально-гипсового вяжущего. Последующее смешение его с наполнителем обеспечивает равномерное распределение наполнителя в магнезиально-гипсовом вяжущем и позволяет получить сырьевую массу достаточной пластичности. Наряду с равномерным распределением вяжущего и наполнителей обеспечивается также достаточная плотность и механическая прочность получаемых при формировании и последующем отверждении изделий.

Таким образом, предлагаемая масса для изготовления строительных изделий и способ ее получения содержит ряд новых признаков, обеспечивающих, по нашему мнению, новый технический результат, а именно: получение нетоксичных дешевых изделий улучшенного качества. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "Изобретательский уровень".

Ниже приводятся примеры реализации предлагаемого изобретения.

Используют обезвреженный шлам хроматного производства, не содержащий шестивалентного хрома, состава, мас. 30,2 CaO, 25,2 MgO, 10,4 Fe₂O₃, 7,1 Al₂O₃, 5,2 SiO₂, 9,2 Cr₂O₃.

Навеску воздушно-сухого шлама в количестве 20-50% от исходного шлама для получения магнезиально-гипсового вяжущего смешивают с заданным количеством воды из расчета массового отношения Т:Ж 1:3, получая водную суспензию, которую помещают в реактор с мешалкой и обогревом и нагревают до 80-90^oC. По достижении заданной температуры в суспензию при постоянном перемешивании вносят серную кислоту в количестве, обеспечивающем массовое отношение шлам_магн.: кислота в пределах 0,9-1,65.

Реакционную смесь перемешивают в течение 20-60 мин, получая так называемое магнезиально-гипсовое вяжущее. Последнее затем переносят в лабораторный двухвальный смеситель с электрообогревом, куда последовательно вводят наполнитель и серусодержащий восстановитель, выбираемый из следующих веществ: сера, сульфид, сульфит или тиосульфат натрия. Древесную массу или лигнит в качестве органического наполнителя вводят в количестве 20-60 мас. от навески шлама_магн., а неорганического остальное количество шлама /шлам_нап, т. е. 20-80% от исходного шлама. Количество восстановителя - 0,1-0,5 мас. от хроматного шлама.

Массовое отношение шлам_магн.: шлам_нап. в приготовляемой сырьевой массе изменяют в пределах от 1:1 до 1:4. Последнюю тщательно перемешивают и с влажностью 5-15 мас. из нее на лабораторном прессе при давлении прессовании 150-200 кг/см² формируют образцы диаметром 1 см и высотой 0,8-1,0 см, которые затем отверждают, выдерживая на воздухе при комнатной температуре, после чего определяют предел прочности при сжатии, используя этот же пресс.

Результаты представлены в табл.1.

Прочностные показатели приведены для образцов, отвержденных на воздухе в течение 7 дней.

Изделия, изготовленные из предлагаемой массы, характеризуются достаточной высокой механической прочностью при кажущейся плотности в пределах 1,624-2,213 г/см³.

Сравнительная оценка целевого изделия, изготовленного на базе предлагаемого магнезиально-гипсового вяжущего (табл.1), и соединений магния (оксид, сульфат, хлорид магния), применяемых в известном способе-прототипе (табл.2), показала, что известное вяжущее не дает эффекта в случае использования в качестве наполнителя шлама хроматного производства.

Выбор и обоснование заявляемых параметров обусловлено следующим.

Поддерживание в заявляемых пределах массового отношения Т:Ж в водной суспензии шлама, поступающей на кислотное взаимодействие, а также температурно-временных параметров процесса обеспечивает 90-95%-ное разложение соединений магния шлама и получение магнезиально-гипсового вяжущего, водорастворимая часть которого представлена сульфатом магния (60-100 г/л MgSO₄), а также соединениями кальция (0,7-2 г/л CaO), кремния (0,6-1,9 г/л SiO₂), алюминия (0,2-1,5 г/л Al₂O₃) и железа (0,6-0,8 г/л Fe₂O₃), нерастворимая сульфатом кальция и минеральными фазами исходного шлама.

При уменьшении содержания магнезиально-гипсового вяжущего в заявляемой массе (уменьшение отношения шлам_магн.:шлам_нап.) ухудшается пластичность и формуемость массы, уменьшается механическая прочность изготовленных изделий. Это связано с тем, что не достигается достаточной смачиваемости компонентов массы и заполнения мельчайших пор в ней, с одной стороны, и снижается эффект прессования (формования), с другой. Увеличение же его содержания выше верхнего предела, т. е. увеличение массового отношения шлам_магн.:шлама_нап. в приготовляемой сырьевой массе, экономически нецелесообразно, т.к. увеличиваются расход кислоты и затраты на разложение шлама.

В качестве органического наполнителя используют древесную массу и лигнин. Введение его выше верхнего предела уменьшает формовочную способность заявляемой массы и прочность получаемого из нее изделия. Влажность массы при формовании поддерживают в пределах 5-15 мас. Понижение влажности ниже нижнего предела снижает эффект прессования (формования) при данном давлении; при повышении выше верхнего, кроме того, сопряжено со значительной трудностью при прессовании и усадкой изделий при отверждении.

Формула изобретения

1. Масса для изготовления строительных изделий, содержащая магнийсодержащее соединение, неорганический и органический наполнители и воду, отличающаяся тем, что в качестве магнийсодержащего соединения и неорганического наполнителя она содержит обезвреженный шлам хроматного производства и дополнительно серную кислоту при следующем соотношении компонентов, мас.

Обезвреженный шлам хроматного производства 46 61 Серная кислота 11,0 21,5 Органический наполнитель 4 10
Вода Остальное
2. Способ получения массы для изготовления строительных изделий путем приготовления водного раствора магнийсодержащего сырья, смешения раствора с органическим и неорганическим наполнителями, с последующей сушкой полученной смеси, отличающийся тем, что для приготовления магнийсодержащего сырья в водном растворе используют обезвреженный шлам хроматного производства в количестве 20 50 мас. от исходного, в водную суспензию которого при перемешивании и нагревании вводят серную кислоту, а в полученное магнезиально-гипсовое вяжущее затем последовательно вводят органический наполнитель и остальное количество шлама хроматного производства.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что шлам хроматного производства смешивают с водой в массовом соотношении, обеспечивающем Т Ж в смеси 1 1 - 3 соответственно.

4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что серную кислоту вводят из расчета массового соотношения шлам кислота в пределах 0,9 1,65.

5. Способ по п. 2, отличающийся тем, что серосодержание восстановители, выбранные из группы сера или сульфид, сульфит или тиосульфат натрия, вводят в количестве 0,1 0,5 мас. от введенного шлама.

6. Способ по п. 2, отличающийся тем, что обработку реакционной смеси серной кислотой ведут при 80 90^oС в течение 20 60 мин.

7. Способ по п. 2, отличающийся тем, что неорганический наполнитель - остальное количество шлама вводят из расчета массового соотношения шлам_магн.
шлам_нап. 1 1 1 3.

8. Способ по п. 2, отличающийся тем, что полученную сырьевую массу перед формованием подсушивают до влажности 5 15 мас.

РИСУНКИ

Рисунок 1