Курсовая работа: Диатомит как природный наноматериал

Рассмотрим получение пенодиатомитовыех изделий. Пример: кирпич пенодиатомитовый теплоизоляционный. Предназначен для тепловой изоляции сооружений, промышленного оборудования (электролизных ванн, плавильных печей, котлов, трубопроводов и т.п.) при температуре изолируемой поверхности до 900 0С. Кирпич относится к группе негорючих материалов и может быть использован для противопожарной защиты стальных, железобетонных и деревянных конструкций, а также в жилищном и гражданском строительстве. Кирпич пенодиатомитовый применяется в строительстве в качестве утеплителя на кровле, используется при возведении кирпичных перегородок и межквартирных ненесущих стен.

5.1 Диатомитовые изделия, получаемые способом пенообразования

К эффективным высокотемпературным теплоизоляционным материалам относятся пенодиатомитовые изделия. Их производство складывается из следующих технологических операций: сушка диатомита, помол, смешивание с водой, получение шликера, приготовление устойчивой пены, смешивание шликера с пеной и получение пеномассы, формование изделий, их сушка и обжиг. Схема технологического процесса производства пенодиатомовых изделий представлена ниже (рисунок 4).

Для приготовления диатомового шликера, пены и их смешивания применяют трехкорытную мешалку. Шликер из молотого диатомита приготовляют в одном из двух верхних корыт. В шликере содержится 55–60% воды. Продолжительность перемешивания составляет 10–15 мин. В корыто сначала вливают воду, а потом при работающей мешалке одновременно подают воду и диатомит. Во втором верхнем приготовляют пену. В это корыто заливают клееканифольную эмульсию или экстракт мыльного корня. Пену взбивают 7–8 мин. В третьем (нижнем) корыте смешивают пену со шликером, в результате чего получают пеномассу. Соотношение между количеством пены и шликера устанавливают в зависимости от объемного веса изготовляемых изделий. Шликер и пену смешивают в течение 4–5 мин. Для изделий с меньшим объемным весом следует брать большее количество пены.

Пена, как правило, должна быть стойкой, что необходимо для сохранения ячеистой структуры изделий до обжига, и иметь мелкие пузырьки, по возможности одинаковых размеров. При соблюдении этих условий пенодиатомитовые изделия приобретут мелкую равномерную пористость и могут быть использованы для теплоизоляции поверхностей, нагретых до высокой температуры.

Изделия формуют разливкой пеномассы в металлические формы, находящиеся на формовочной машине. Во избежание прилипания пеномассы к стенкам формы последние смазывают отработанным машинным маслом, раствором парафина в керосине или нефтью. В размерах форм необходимо учитывать значительную величину воздушной и огневой усадки.

Пенодиатомитовые изделия сушат в туннельных и камерных сушилках. Изделия подсушивают в формах, так что испарение влаги происходит только с той плоскости изделия, которая не закрыта формой. Для уменьшения усадки изделий и ускорения их сушки в пенодиатомовую массу вводят древесные опилки (отощающая добавка). После того как пенодиатомовые изделия приобретут необходимую прочность и твердость, их вынимают из формы. Влажность изделий составляет при этом 15–20%.

Диатомит

Раствор пенообразователя

Помол и сушка (мельница-сушилка)

Приготовление пенодиатомовой массы (трехбарабанная пенобетономешалка)

Формование изделий (разливочная машина)

Сушка (туннельная сушилка)

Обжиг (туннельная печь)

Оправка изделий (циркульная пила)

Упаковка изделий (упаковочные столы)

Склад готовой продукции

Рисунок 4 – Схема технологического процесса производства пенодиатомовых изделий

Обжигают пенодиатомитовые изделия в туннельных печках при такой же температуре, что и диатомовые изделия с выгорающими добавками, то есть при 850–900°С, но продолжительность обжига пенодиатомовых изделий больше – до 50 час. При обжиге пенодиатомовых изделий в отличии от обжига изделий с выгорающими добавками затрвчивается топливо. Расход условного топлива при этом достигает 70 кг на 1000 шт. пенодиатомового кирпича нормального размера. Вследствие малой прочности пенодиатомовых изделий высота их садки в печи должна быть меньше, чем изделий с выгорающими добавками. Пенодиатомовые изделия в результате значительной усадки их при сушке и обжиге приобретают неправильную форму и неточные размеры. Поэтому обычно эти изделия подвергаются опиловке.

Пенодиатомовые изделия обладают некоторыми преимуществами перед диатомовыми изделиями с выгорающими добавками: они имеют меньший объемный вес, более низкий коэффициент теплопроводности, меньшую газопроницаемость (их поры закрыты), большую механическую прочность. Но поскольку производство пенодиатомовых изделий значительно сложнее, чем изделий с выгорающими добавками, то производство пенодиатомовых изделий представляется целесообразным только в тех районах, где нет местных выгорающих добавок.

5.2 Диатомитовые изделия, получаемые способом выгорающих добавок

Производство диатомитовых изделий способом выгорающих добавок осуществляется следующим образом. Предварительно подсушенный диатомит измельчают и смешивают с органическими дисперсными добавками (чаще всего с древесными опилками), смесь увлажняют и из полученной массы экструзионным способом формуют изделия, которые затем обжигают. При обжиге органические добавки выгорают и образуют поры, а частицы диатомита спекаются и изделия приобретают заданную прочность.

Опилки и диатомит – высокопористые материалы. Поэтому массы, приготовленные из них, способны удерживать большое количество воды, обладая при этом высокой пластической прочностью, необходимой для сохранения формы сырцом после формирования экструзионным способом. Например, на ленточном процессе можно получить из кирпичных глин сырец с влажностью 22–25%, а из опилочно-диатомитовых масс 60–80% (по массе). Рассмотрим теперь главные технологические переделы производства диатомитовых изделий.

Подготовка сырья. Диатомит, поступающий с карьера, предварительно дробят и удаляют каменистые включения. Затем высушивают до влажности 5–10% (карьерная влажность диатомита может достигать 60% и более) и измельчают, проведение совмещенных сушки и помола в шахтной мельнице предпочтительней, чем сушка в сушильном барабане с последующим помолом в вальцах тонкого помола. В этом случае процессы сушки и помола заметно интенсифицируются, сокращаются затраты топлива и электроэнергии, а получаемый диатомит характеризуется более однородной влажностью. Опилки просеивают через сито не более 10 мм.

Приготовление опилочно-диатомитовой массы и формование изделий. Опилочно-диатомитовую массу готовят путем последовательного применения двух операций: сухого смешивания и смешивания с увлажнением.

Для получения диатомитовых изделий с плотностью 500–700 кг/м3 содержание опилок должно составлять соответственно 35–25% (по массе).

Величина формовочной влажности зависит от исходного сырья: вида кремнеземистого компонента, его естественной пористости, степени измельчения, а также от крупности опилок и древесной породы.

Опилочно-диатомитовые массы обычно имеют формовочную влажность в пределах 60–65%, а при использовании трепелов – 40–42%. Формуют изделия пластическим способом, чаще всего на ленточных прессах с мундштуками нужной конфигурации.

Сушка и обжиг изделий. Сушка сырца из опилочно-диатомитовых масс осуществляется по более жесткому режиму, чем глиняного кирпича. Содержание в формовочной массе значительного количества древесных опилок существенно меняет ее сушильные свойства. Во-первых, они увеличивают влагопроводность массы и уменьшают градиент влажности по сечению изделий. Все это способствует интенсификации сушки сырца. Наиболее широко для сушки диатомитовых изделий используют противоточные туннельные сушилки; общая продолжительность сушки сырца не превышает 12 ч.

Диатомит Древесные опилки

Дробление (камневыделительные вальцы) Просеивание (грохот)

Сушка (сушильный барабан)

Помол (вальцы тонкого помола)

Сухое смешивание (двухвальный противоточный смеситель)

Увлажнение и смешивание (смеситель-увлажнитель) Вода

Формование (ленточный пресс)

Сушка (туннельная сушилка)

Обжиг (туннельная печь)

Оправка изделий (циркульная пила)

Склад готовой продукции

Рисунок 5 – Схема технологического процесса производства диатомовых изделий с выгорающими добавками

Сравнительно короткий режим сушки сырца и возможность применения высоких температур в конце процесса позволяют осуществить сушку непосредственно в туннельных обжиговых печах. Такой прием исключает перегрузку с сушильных вагонеток на обжиговые и сокращает производственный цикл. Обжиг изделий проводят до спекания диатомитового сырья и образования керамического черепка. Особенность обжига изделий из опилочно-диатомитовых масс – выжигание выгорающей добавки. Поэтому обжиг на первой стадии должен осуществляться в окислительной среде. Высокое содержание выгорающих добавок в керамических массах затрудняет возможность проведения регулируемого обжига.

Химически чистый диатомит, состоящий только из аморфного гидрата кремнезема, представляет собой тугоплавкий материал с температурой плавления около 1700 ºС. однако диатомиты и трепелы всегда загрязнены более легкоплавкими глинистыми и другими примесями, и поэтому спекание происходит при температуре 800–900 ºС. равномерное распределение опилок в массе позволяет интенсифицировать процесс обжига, продолжительность которого не превышает 16–20 ч в зависимости от размеров обжигаемых изделий.

5.3 Получения жидкого стекла с применением диатомита

Жидкое стекло является эффективным и экологически безопасным ингредиентом в производстве СМ. Эффективным и перспективным методом получения жидкого стекла, является растворение кремнеземсодержащего материала в едких щелочах. Используются горные породы на основе аморфного диоксида кремния: диатомит.

Характерной особенностью диатомитов является микропористая структура частиц-панцирей диатомовых водорослей составляющих горную породу (рисунок 6), что значительно увеличивает внутреннюю поверхность материала и, соответственно, реакционную поверхность. Диатомит содержат до 70–98 % растворимого кремнезема, обладает большой пористостью, малым объемным весом, адсорбционными и теплоизоляционными свойствами.

а

б

Рисунок 6 – Скелетные остатки панцирей диатомовых водорослей: а – продольный вид, б - поперечный вид

Аморфное состояние диоксида кремния в таких горных породах предполагает более интенсивное, по сравнению с кристаллическим диоксидом кремния, взаимодействие с гидроксидом натрия.

Химический состав панцирей диатомовых водорослей, мас.%:

SiO2 – 82-98%; MgO – 0,5-2%;

Al2O3 – 1-5%; CaO – 0,1-0,5%;

FeO – 1-2%; P2O5 – 0-1%;

Минералогические фазы могут быть представлены: аморфный кремнезем – опал, кварц – низкотемпературная модификация кварца (b-кварц), пш – полевой шпат, нонтронит (глинистое анизотропное вещество), гидрослюда и др.

Низкотемпературный синтез жидкого стекла

Получение жидкого стекла осуществлено методом прямого низкотемпературного синтеза. Этот метод основан на способности различных форм кремнезема, в том числе низкотемпературного кварца и аморфного кремнезема, растворяться в щелочном растворе.

Синтез жидкого стекла на основе горных пород, содержащих аморфный диоксид кремния.

На основе горных пород, синтез жидкого стекла произведен при соотношении диоксида кремния и гидроксида натрия обеспечивающих модуль 2.8–3.0. Синтез осуществлялся в шаровой мельнице периодического действия. Для получения жидкого стекла на основе диатомита, осуществляется механохимическая обработка исходной смеси.

Результаты рентгенофазового анализа показали, что с увеличением продолжительности механохимического взаимодействия уменьшается содержание исходных кристаллических фаз и возрастает содержание аморфной фазы. На основе получен упрощенный вариант синтеза жидкого стекла, так как этот диатомита более активен.

Жидкое стекло, синтезированное на основе обожженного диатомита, прозрачное, бесцветное. В результате гидротермальной обработки сырьевой смеси с использованием диатомита синтезировано жидкое стекло с модулем 2.7.

Технология синтеза жидкого стекла

Технологии получения жидкого стекла методом прямого низкотемпературного синтеза компонент (кварцевый песок) транспортируют, сушат и складируют в приемные устройства. Далее кремнеземистый компонент предварительно подвержены дроблению в щековой дробилке до получения зерен размером не более 4 мм, далее через весовой дозатор подают в шаровой мельницу для помола до удельной поверхности 700–800 м2/кг. Едкий натр растворяют при подаче воды или водяного пара. Подача воды (пара) происходит до получения необходимой плотности щелочного раствора – 1450±10 кг/м3. Подготовленные компоненты смешивают в количествах необходимых для получения заданного модуля и расчетной плотности, подают в шаровую мельницу периодического действия, а затем в автоклав. Преимуществом предлагаемой технологии синтеза жидкого стекла является возможность вторичного использования промышленных кремнеземсодержащих отходов, таких как отходы литейных форм.

Жидкое стекло, синтезированное таким образом, может быть использовано для производства литейных форм, т. о. осуществляется организация безотходных технологий. В этом случае необходимость тонкого предварительного измельчения отходов исключается. Важным отличием использования в качестве кремнеземсодержащего компонента его аморфных форм (диатомит), является исключение из технологической цепочки процесса автоклавирования. Это стало возможным за счет более высокой реакционной способности аморфного диоксида кремния, в сравнении с кристаллическим.

5.4 Крошка диатомитовая обожженная (ТУ 5761-003-25310144-99)

Крошка является продуктом измельчения на дробильных установках и сортировки отходов производства пенодиатомитового кирпича и других пенодиатомитовых изделии или из боя. Настоящие технические условия (ТУ) распространяются на крошку пенодиатомитовую обожженную (далее – крошку), предназначенную для использования в качестве заполнителя при изготовлении жаростойких и легких бетонов, в качестве засыпки для тепловой изоляции гражданских и промышленных сооружений, тепловых печей и технологического оборудования при температуре до 900°С, и для других целей. Крошка является нетоксичным и радиационно-безопасным материалом

Технические требования

5.5 Применения активированного диатомита в сухих строительных смесях

Диадомиты являются природными активными минеральными добавками (АМД) осадочного происхождения. Обладают высокой пористостью и являются хорошими инсектицидами. Эти свойства диатомитов широко используют при производстве товарного бетона, строительных растворов и сухих строительных смесей различного назначения.

Действие диадомитов, как активных минеральных добавок, основано на способности, содержащегося в них аморфного кремнезема, связывать известь в низкоосновные гидросиликаты кальция по схеме:

SiO2 + Ca(OH) + n(H2O) = (B) CaO SiO2 H2O

Известно, что способность связывать гидроксид кальция в присутствии воды при обычных температурах обусловлена содержанием в диатомитах веществ в химически активной форме, поэтому характер и интенсивность взаимодействия с известью различны в зависимости от количества аморфного SiO2, содержание которого в диатомитах может колебаться от 40% до 100% к общему количеству SiO2. В основном это определяется условиями и водной средой обитания диатомей, в которых происходило формирование их панциря.

Для оценки эффективности применения активированного диатомита были проведены сравнительные исследования строительно-технологических характеристик сухих строительных смесей с различными природными и техногенными АМД.

Использование АМД в составах сухих строительных смесей способствует формированию плотной структуры материала, благодаря чему наряду с повышением прочностных характеристик снижается проницаемость, повышается морозостойкость, стойкость к истиранию и эрозии, а также устойчивость материала к различным видам коррозии, что в конечном итоге определяет его высокую долговечность.

При определении активности различных минеральных добавок использовался метод, основанный на способности поглощения добавками извести из известкового раствора в течение 30 суток. Поглощение извести активированным диатомитом через 30 суток до 4 раз превышает аналогичный показатель природных АМД и на 60% выше активности микрокремнезема. Наряду с высоким показателем активности в возрасте 30 суток для активированного диатомита наблюдалось интенсивное поглощение извести в первые 3 суток.

Дальнейшие испытания проводились для составов cуxиx строительных смесей с различными АМД при замещении ими ПЦ в количестве 5,10,15%. Для снижения водопотребности в состав ССС вводиться суперпластификаторы различного типа.

Совместное использование СП и АДМ положительно влияет на прочность затвердевшего раствора в возрасте 28 суток. Однако в ранние сроки интенсивный набор прочности наблюдается только при использовании активного диатомита.

Наиболее эффективным является применение активированных диатомитов в количестве 3–10% от массы цемента, при дальнейшем увеличении дозировки эффективность применения активированных диатомитов начинает снижаться. Для сравнения, максимальная эффективность применения микрокремнезема и природного диатомита находится в пределах 10–15% от массы цемента, а для природных АМД вулканического происхождения, этот предел может увеличиваться до 20%.

При оптимальной дозировке активированных диатомитов, используемых в сочетании с суперпластификаторами, благодаря их полифункциональному действию возможно получение составов сухих строительных смесей с высокими прочностными характеристиками, низкими усадочными деформациями, высокой морозостойкостью и стойкостью к различным видам коррозии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Нанотехнология в отличие от обычной технологии исповедует принцип «от меньшего – к большему», использует сборку изделий, приборов и устройств из малых деталей. Сейчас стоит задача – для нужд нанотехнологии классифицировать диатомовые водоросли по размерам и форме отдельных частей их скелетов: по геометрии пор, створок, ребер, рогов, шипов, шипиков, щетинок, сплошных и полых колючек, трубковидных выростов и пр. Биологам необходимо провести исследования специфических белков и генов, «задающих» ту или иную форму кремнеземного скелета, чтобы в результате получать нужные для техники формы (уже известен белок, называемый стаффином, который управляет синтезом микроскопических структур из растворенных в воде кремнекислот). Надо изолировать гены некоторых водорослей, чтобы решить ту же задачу: управлять биосинтезом.

Форму скелетов можно менять, вводя те или иные растворимые соли в искусственную среду обитания водорослей. В принципе возможно «научить» отдельные еще живые водоросли находить определенные места на какой-либо подложке и закрепляться на ней, т.е. подойти к процессу самосборки нужных функциональных структур. Предстоит проделать большой объем исследований, прежде чем диатомовые водоросли действительно станут «работать» на людей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.  Гончаров Ю.И., Лесовик В.С. Минералогия и петрография сырья для производства строительных материалов и технической керамики. – Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 2001. – 181с.

2.  Добровольский В.В. Геология. – М.: Гуманит. издат. центр ВЛАДОС, 2003. – 320с.: ил.

3.  Пустовгар А.П. Эффективность применения активированных диатомитов в сухих строительных смесях. Ж., Строительные материалы, октябрь 2006 г.

4.  www.articlef.php.htm

5.  Минько Н.И., Строкова В.В., Жерновский И.В., Нарцев В.М. Методы получения и свойства нанообьектов. – Белгород: Изд-во БГТУ, 2007. – 148с.