ГРНТИ 61.35 Технология производства силикатных и тугоплавких неметаллических материалов
ББК 35 Химическая технология. Химические производства
В статье представлены результаты исследований по определению влияния изодецило-ксипропиламина, адсорбировавшегося на поверхности зерен отходов флотации желези-стых кварцитов на свойства вяжущих композиций. Представлены результаты реологиче-ских исследований вяжущих композиций, на основе отходов флотации, содержащие разное количество флотореагента в составе отходов. Выявлены пластифицирующий эффект, ока-зываемый отходами флотации на вяжущие композиции и гидрофобизирующее действие изодецилоксипропиламина на вяжущие композиции.
отходы флотации железистых кварцитов, флотореагент, вяжущие композиции, эффек-тивная вязкость
Введение. На сегодняшний день учеными непрерывно проводятся исследования по возможности использования различных видов техногенных отходов во вторичном производстве [1–8].
Отходы обогащения более удобны для использования, чем отвалы, поскольку они, более однородны по химическому, минералогическому, гранулометрическому составу, представляют собой уже дисперсный материал с высокой удельной поверхностью. В производстве строительных материалов широкое распространение получили шлаки, золы, отходы мокрой и сухой магнитной сепарации и др. На территории России расположено значительное количество горно-обогатительных комбинатов, образующих тонны ежегодно накапливающихся и требующих утилизации отходов обогащения. Одним из таких крупнейших комбинатов является ОАО «Михайловский горно-обогатительный комбинат» (МГОК), занимающийся добычей и обогащением железной руды. МГОК для получения качественного концентрата с низким содержанием оксида кремния и щелочей (K2O + Na2O), использует магнитно-флотационную схему обогащения железистых кварцитов – обогащение железной руды методом магнитной сепарации с последующим дообогащением методом обратной катионной флотации. При этом ежегодно образуется до 10 млн. т в год отходов флотации железистых кварцитов [3].
На МГОКе при флотационном дообогащении железистых кварцитов применяют следующую комбинацию флотореагентов: собиратель РА-14, депрессор – гидролизованный крахмал, регулятор кислотности – гидроксид натрия. Флотореагент РА-14 является поверхностно-активным веществом (ПАВ), адсорбирующимся на поверхности отходов флотации при флотации. Концентрация РА-14 в составе суспензии при флотации составляет 250 г/т. Однако, при этом РА-14 способен адсорбироваться на поверхности железа. Поэтому, для исключения перехода железа в пенный продукт, в пульпу при флотации следует добавлять крахмал. Так как крахмал является труднорастворимым в воде соединением, на МГОКе при флотационном дообогащении железистых кварцитов используется гидролизованный крахмал [9].
Гидролизованный крахмал, растворяется в водном растворе в пульпе при флотации и преимущественно адсорбируется на поверхности железа, тем самым препятствует адсорбции РА-14 на его поверхности и переходу железа в пенный продукт. Согласно исследованиям [10–13], на поверхности пенного продукта гидролизованный крахмал способен адсорбироваться в очень малом количестве, поэтому он не будет оказывать значительного влияния на цементные системы. Таким образом, наши исследования направлены на изучение влияния флотореагента РА-14 в составе вяжущих композиций.
Основная часть. Гидрофобизирующие поверхностно-активные добавки в составе цементных систем, снижают предельное напряжение сдвига тем самым, увеличивают их пластическую вязкость, в результате чего предотвращают расслаиваемость смеси, обеспечивают требуемую подвижность. Высокая подвижность бетонных смесей достигается за счёт образования тонких ориентированных плёнок поверхностно-активных веществ на поверхности компонентов смеси [14].
В связи с этим, предполагается, что РА-14, адсорбировавшийся на поверхности отходов флотации способен оказывать пластифицирующее и гидрофобизирующее действие на вяжущие композиции.
Для подтверждения или опровержения этих гипотез нами была синтезирована модельная система (МС) отходов флотации, являющаяся их искусственным аналогом и состоящая из основных оксидов, составляющих отходы флотации, а так же проведены реологические исследования и определен краевой угол смачивания вяжущих композиций, полученных совместным помолом 70 % цемента и 30 % отходов при различных концентрациях РА-14 в пульпах при флотации: ОФг150 – отходы при концентрации РА-14 = 150 г/т; ОФг250 – при концентрации РА-14 = 250 г/т; ОФг350 – при концентрации РА-14 = 350 г/т. Выполнены аналогичные исследования вяжущих композиций, содержащих 70 % цемента и 30 % модельной системы отходов флотации.
При определении реологических характеристик суспензий вяжущих композиций в качестве постоянного показателя принимался расплыв конуса 15 см.
Каждое испытание включало два отдельных опыта: измерение эффективной вязкости суспензий при увеличении скорости вращения ротора от 0 до 120 мин-1; измерение эффективной вязкости суспензий при сохранении скорости вращения ротора 120 мин-1. В результате обработки полученных результатов, нами построены кривые зависимости эффективной вязкости вяжущих композиций различного состава от времени при увеличении скорости вращения ротора и при постоянной скорости вращения ротора прибора, представленные на рис. 1 и 2.
Из реограмм супензий вяжущих композиций при увеличении скорости вращения ротора видно, что увеличение концентрации РА-14 в составе суспензии в процессе образования отхода оказывает пластифицирующий эффект на вяжущие композиции. Это подтверждается реограммами суспензий при постоянной скорости вращения ротора. При постоянной скорости вращения ротора прибора уменьшение эффективной вязкости вяжущих композиций на основе отходов флотации по сравнению с вяжущими композициями на основе модельной системы отходов флотации составляет от 12 до 17 %.
Рис. 1. Изменение эффективной вязкости вяжущих композиций различного состава с течением времени
при увеличении скорости вращения ротора
Рис. 2. Изменение эффективной вязкости вяжущих композиций
различного состава с течением времени при постоянной скорости вращения ротора
На основании проведенных исследований предложен механизм пластифицирующего действия флоторегаента РА-14, адсорбировавшегося на поверхности отходов флотации, на вяжущие композиции на основе отходов флотации и цемента.
Известно, что флотореагент РА-14 имеет длинный углеводородный радикал и адсорбируется на поверхности оксида кремния полярной частью аминогруппой на поверхности и выставляя наружу длинный углеводородный радикал [14]. Отсюда можно предположить, что флотореагент может оказывать гидрофобизирующее действие на цементные системы.
В связи с этим, выполнены исследования по определению краевого угла смачивания дистиллированной водой на гидратированных вяжущих композициях в возрасте 28 суток, состоящие из портландцемента (70 %) и различных минеральных наполнителей (30 %). В качестве минеральных наполнителей были выбраны:
- модельная система отходов флотации (МС);
- отходы флотации железистых кварцитов, при концентрации РА-14 в суспензии при флотации 150 г/т (ОФг150);
- отходы флотации железистых кварцитов, при концентрации РА-14 в суспензии при флотации 150 г/т (ОФг250);
- отходы флотации железистых кварцитов, при концентрации РА-14 в суспензии при флотации 150 г/т (ОФг350).
Получение вяжущих композиций производилось совместным помолом в вибрационной мельнице в течение 30 мин, удельная поверхность вяжущих –500 м2/кг. Заформованы образцы-кубы размерами 30×30×30 мм по 7 образцов каждого состава.
Рассматривая значения краевого угла смачивания (табл. 1) дистиллированной водой на поверхностях различных вяжущих композиций, можно отметить, что у составов, содержащих отходы флотации наблюдаются большие значения краевого угла смачивания, чем у составов на основе модельной системы отходов флотации.
С увеличением концентрации РА-14 в пульпе при флотации при образовании отходов наблюдается увеличение краевого угла смачивания водой на поверхностях вяжущих композиций на их основе. Наблюдается увеличение краевого угла смачивания водой на поверхности вяжущих композиций на основе отходов флотационного дообогащения железистых кварцитов по сравнению с углом смачивания водой на поверхности вяжущих композиций на основе модельной системы отходов флотационного на 6–15 %. Это свидетельствует о придании гидрофобного эффекта вяжущим композициям отходами флотации.
Таблица 1
Краевой угол смачивания дистиллированной водой
на поверхностях гидратированных вяжущих композиций
|
№ п/п |
Составы вяжущих композиций |
Краевой угол смачивания (Ɵв),˚ |
|
|
цемент |
минеральный наполнитель |
||
|
1 |
Портландцемент – 100 % |
– |
70 |
|
2 |
Портландцемент – 70 % |
модельная система отходов флотации – 30 % |
72 |
|
3 |
Портландцемент – 70 % |
ОФг150 – 30 % |
80 |
|
4 |
Портландцемент – 70 % |
ОФг250 – 30 % |
86 |
|
5 |
Портландцемент – 70 % |
ОФг350 – 30 % |
90 |
Выводы. В процессе флотационного дообогащения железистых кварцитов катионный собиратель РА-14 адсорбируется на поверхности пенного продукта в суспензии при флотации. В дальнейшем при высыхании отходов флотации до воздушно-сухого состояния сохраняется в составе отходов и оказывает действие на вяжущие композиции на основе цемента и отходов флотации. Выявлено, что снижение эффективной вязкости суспензий вяжущих композиций на основе отходов флотации по сравнению с их аналогами на основе модельной системы (искусственно-созданных отходов, не содержащих флотореагента РА-14) составляет 12-17% в зависимости от количества адсорбировавшегося флотореагента РА-14, что свидетельствует о наличие пластифицирующего действия отходов в составе вяжущих композиций на основе цемента и отходов за счет содержания флотореагента РА-14 в составе отходов.
Определено, что флотореагент РА-14, имеющий длинный углеводородный радикал и, адсорбирующийся на поверхности оксида кремния полярной частью аминогруппой, выставляя наружу длинный углеводородный радикал, способен оказывать гидрофобное действие на цементные системы, что подтверждается проведенными нами исследованиями: увеличение краевого угла смачивания водой на поверхности вяжущих на основе отходов по сравнению с углом смачивания водой на поверхности вяжущих композиций на основе модельной системы составляет от 6 до 15 %.
Таким образом, выявлено, что флотореагент РА-14, адсорбировавшийся на поверхности отходов флотации оказывает гидрофобный и пластифицирующий эффекты на вяжущие композиции с содержанием этих отходов. Это дает предпосылки к использованию отходов флотации в составах сухих строительных смесей для наливных полов, где особую важность строительных растворов имеют гидрофобные и реологические характеристики.
1. Миргород Ю.А., Борщ Н.А. Термоди-намика и кинетика процесса флотоэкстракции с участием катионного и анионного поверх-ностно- активного вещества // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия физика и химия. 2011. №1. С. 73-80.
2. Классен В.К., Шилова И.А., Текучева Е.В. Энерго- и ресурсосбережение при ис-пользовании техногенных материалов в тех-нологии цемента // Строительные материалы. 2007. № 8. С. 18 – 20.
3. Рахимбаев Ш.М., Яшуркаева Л. И. От-ходы мокрой магнитной сепарации Михай-ловского ГОКА – сырье для производства бе-литового цемента // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. 2005. № 10. С. 258 –260.
4. Котенко Е.А., Морозов В.Н., Анисимов В.Н. Освоение недр и экологические пробле-мы – взгляд в XXI век // Геоэкологические проблемы безопасной эксплуатации горно-металлургического комплекса КМА. 2000. №2. С. 22 – 24.
5. Рахимбаев Ш.М., Тарарин В.К., Моро-зов А. И. Использование кварцитопесчаников из скальной вскрыши Лебединского место-рождения // Использование отходов, попут-ных продуктов в производстве строительных материалов и изделий. Охрана окружающей среды. 1985. № 3. С. 11 – 13.
6. Кретов С.И., Губин C.JI., Потапов C.A. Совершенствование технологии переработки руд Михайловского месторождения // Горный журнал. 2006. № 7. С. 71-74.
7. Лесовик B. C. Использование промыш-ленных отходов КМА в производстве строи-тельных материалов // Использование отхо-дов, попутных продуктов в производстве строительных материалов и изделий. 1987. № 3. С. 57 – 58.
8. Волженский А. В. Минеральные вяжу-щие вещества. М.: Изд. Стройиздат, 1979. 302 с.
9. Миргород Ю.А., Борщ Н.А. Термоди-намика и кинетика процесса флотоэкстракции с участием катионного и анионного поверх-ностно- активного вещества // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия физика и химия. 2011. №1. С. 73-80.
10. Губин С.Л., Авдохин В.М. Флотация магнетитовых концентратов катионными со-бирателями // Горный журнал. 2006. № 7. С. 80-84.
11. Шаповалов Н.А., Шевцова Р.Г., Горо-дов А.И., Крайний А.А., Винцковская И.Л., Рядинский М.М. Флотационное обогащение апатит-нефелиновых руд // Современные про-блемы горно-металлургического комплекса: XI Всерос. науч.-практ. конф., с междун.. участием, (Старый Оскол, 3-5 дек. 2014 г.), Старый Оскол: Изд. МИСиС, 2014. Ч. 1. С. 23-28.
12. Северов В.В. Разработка процесса обратной флотации железистых кварцитов с использованием катионных и неионогенных собирателей: / автореферат дис. канд. техн. наук. Москва, 2011. 27 с.
13. Кармазин В.И. Обогащение руд чер-ных металлов. М.: Изд. Недра, 1982. 216 с.
14. Пивень В.А., Дендюк Т.В., Калини-ченко А.Ф., Бухлаева Н.П. Флотодоводка магнетитовых концентратов Ингулецкого ГОКа // Обогащение руд. 2004. -№ 1. С. 31-34.
