V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Актуальность темы. Бентонитовое сырье востребовано широким спектром отраслей промышленности. В нашей стране минерально-сырьевая база бентонитов представлена в основном низко- и среднекачественными щелочноземельными бентонитами и бентонитоподобными глинами. Ежегодная потребность Казахстана в бентонитах, особенно в высококачественных, составляет 600 тыс.т (оценка на 2009 г.), а собственная добыча бентонитов и бентонитоподобных глин составляет 356 тыс.т, при этом производство бентопорошка, в т.ч. активированного всего 30 тыс.т. На современном этапе проблема создания современных технологий переработки низкокачественных бентонитов с целью получения на их основе продукции с оптимизированными технико-экономическими показателями является весьма актуальной

Физико-химические свойства бентонитов, прежде всего, адсорбционные и катионообменные, напрямую зависят от содержания основного породообразующего компонента монтмориллонита и его структурных особенностей. Изучение кристаллохимии и структуры монтмориллонита позволяет не только определить генетическую принадлежность бентонита, с характерными ему особенностями строения, формой и размерами продуктивной толщи, минеральным и элементным составом, но и прогнозировать физические и технологические свойства.

Применение комплекса современных минералого-аналитических методов оценки качества бентонитов при изучении новых проявлений и доизучении известных месторождений позволяет установить наличие бентонитов и бентонитоподобных глин, отбраковать некондиционные глины, выявить легкомодифицируемые разности среди низко- и среднекачественных бентонитов, оценить качество и технологические свойства, и, в итоге, дать прогноз направлений использования этих ценных полезных ископаемых (рис.1).

Кроме того, комплекс минералого-аналитических методов (рентгенографические, термические, резонансные, адсорбционно-люминесцентные) дает возможность осуществлять контроль за изменением кристаллической структуры монтмориллонита на различных стадиях переработки бентонитов и бентонитоподобных глин.

Целью данной темы является - Выявление структурных и кристаллохимических свойств бентонита для обоснования оптимальных технологий получения высококачественного строительного материала .

Основными задачами исследования являются:

- установление структурных и кристаллохимических особенностей монтмориллонитов бентонитовых глин четырех месторождений;

- изучение различных составов щелочноземельных бентонитов и бентонитоподобных глин согласно заданным технологическим параметрам по направлению использования;

- определение минералого-технологических критериев, позволяющих классифицировать бентониты по группам и категориям качества, оценить технологические свойства, выбрать оптимальные направления использования;

- установление влияния механоактивационных процессов, содержания и состава химических реагентов (в т.ч. водной фазы) на коллоидно-химические и технологические свойства модифицированных бентонитовых глин;

- выявление основных закономерностей физико-химического и механоактивационного регулирования коллоидно-химических и реологических свойств глинистого сырья.

Связующий, пластифицирующий компонент (высокая дисперсность и набухаемость)

Технологическое назначение.   (Оптимальные свойства глин)

Сорбенты, катализаторы (максимальная величина активной поверхности и содержание активных центров)

 

2, 3 разновидность, щелочные и смешанные бентониты

3 разновид- ность, щелочные бентониты

Разновид-ность бентонита

1 разновидность, щелочноземельные бентониты

1, 2 разновидность, щелочноземельные и смешанные бентониты

Буровые растворы		Окомкование жедезорудных концентратов		Поглощение и утилизация отходов животных		Фильтрация, рафинация, отбелка масел и жиров
Литейное производство						Производство пестицидов и родственных им продуктов
Кормопроизводство						Катализаторы
						Очистка природных и сточных вод
Водонепроницаемые экраны						Производство удобрений
						Цементное производство
Эмульгаторы и стабилизаторы						Производство асфальтовых эмульсий и плитки
Очистка вин, соков и пр.						Производство керамики, в т.ч. стеновой и половой плитки
Производство вяжущих материалов		Производство красок		Осушители		Химическое производство (очистка промежуточных продуктов)
						Производство лицевого кирпича
Производство смазочных материалов						Производство блоков и форм
						Производство минеральных волокон
						Наполнители пластмасс
Производство бетона						Гончарное производство
						Производство кровельной черепицы
Бумажное производство						Производство глазурей и эмалей
						Стекольное производство
Произ-во резины и полимеров		Медицина, фармацевтика, косметика.		Керамзит		Улучшение агротехнических свойств почвы
						Биостимуляторы роста с/х животных
Консервация и упаковка сельхозпродукции						Изоляция и поглощение радиоактивных и прочих токсичных отходов

Рисунок 1. Многоцелевое назначение бентонитов и критерии оценки их качества

Методы исследования и фактический материал

Исследовательская работа выполнена на большом объеме экспериментального материала с использованием комплекса современных методов (РФА, ДТА-ДСК, ДТГ, электронная микроскопия с микродифракцией, ЯМР, химико-спектральные методы, адсорбционный люминесцентный анализ) Изучено более 120 образцов бентонитовых глин из 4 месторождений Казахстана.

Научная новизна.

- Предложены новые эффективные параметры и характеристики монтмориллонитового компонента, как дополнительные минералого-технологические критерии экспрессной оценки качества бентонитового сырья, позволяющие классифицировать их по геолого-промышленным типам и направлениям использования.

- На основе установленной взаимосвязи структурных изменений и свойств бентонитов разработана технология получения высококачественного бентонита для стройматериалов.

Практическая значимость

Результаты исследований апробированы при комплексной оценке качества бентонитового сырья в лаборатории ТОО ПИЦ «Геоаналитика» бентонитовых глин Ибатинского, Бесарыкского, Урангайского, Сауранского месторождений. Из сравнительной характеристики химического и минерального состава все пробы четырех месторождений достаточно отличаются друг от друга, как видно из таблиц 1- 4 .

Таблица 1. Результаты спектрального анализа глин (полуколичественный)

Элементы	Содержание, %
	Проба1	Проба2	ПробаЗ	Проба4
	Ибата	Урангай	Сауран	Бесарык
Sr	<0,01	0,01	0,02	0,02
Со	0,0015	0,001	0,002	0,0015
Zn	0,006	0,006	0,006	0,006
Y	0,002	0,002	0,002	0,002
Си	0,003	0,002	0,004	0,004
Sn	0,0003	0,0003	0,0004	0,0003
Mo	0,0015	0,0004	0,0003	0,0002
Ва	0,03	0,03	0,05	0,04
Ni	0,004	0,004	0,004	0,003
V	0,02	0,01	0,008	0,008
Pb	0,004	0,003	0,003	0,003
Сг	0,008	0,006	0,006	0,006
As	0,000006	0,000008	0,00001	0,00001
Zr	0,015	0,015	0,01	0,01
Li	0,003	0,004	0,005	0,004
Nb	0,0008	0,0008	0,0006	0,0006
Be	0,0002	0,00015	< 0,00015	0,00015
Ge	0,0001	< 0,0001	0,0001	<0,0001
Ga	0,001	0,001	0,0015	0,001
W	< 0,0003	<0,0003	0,0003	<0,0003
As	0,002	<0,002	<0,002	<0,002
Sc	0,0015	0,0008	0,0008	0,0006

Элементы: Cd, Sb, Bi, Hg, В, Tl, Та, La, Au, Се, Yb, In, U, Gd, Hf - меньше предела обнаружения

Таблица 2. Результаты анализа глин

Компоненты	Содержание, %
	Проба1	Проба2	ПробаЗ	Проба4
	Ибата	Урангай	Сауран	Бесарык
Na20	1,09	0,62	0,75	0,95
MgO	1,70	1,99	2,86	2,92
Al2O3	14,99	14,61	11,49	10,33
Si02	49,08	50,43	51,43	48,45
P2O5	0,14	0,04	0,18	0,15
K2O	1,90	2,23	2,58	2,26
CaO	2,37	4,17	12,06	14,81
TiO2	0,93	0,94	0,72	0,69
MnO	<0,01	0,04	0,12	0,16
Fe2O5	12,40	6,78	4,85	4,23
SO3	0,42	4,23	0,10	0,35
n.n.n	14,97	13,90	12,83	14,69
сумма	99,99	99,98	99,97	99,99

Категория точности анализа - III СТРК1354-2005, инструкция НСАМ№3.

По числу пластичности проба с участка Бесарык относится к группе умеренно пластичного, а с участка Ибата к группе высоко пластичного, глинистого сырья. По показателям пластичности глинистое сырье отвечает требованиям ГОСТ 9169-75. Были изготовлены образцы-кирпичики из глинистого сырья с участка Бесарык без пластификатора и обожжены при температурах 850°С, 950°С, 1050°С.

Таблица 3. Результаты определения предела прочности при сжатии

		Предел прочности при сжатии, кг/см2
№ проб	Температура обжига, °С	каждого образца	средний результат	наименьший результат из 5-ти образцов	Марка кирпича по ГОСТу 530
1	2	3	4	5	6
		122
		109
		88
		146
ЛТП-1	850	146	122,2	88	100
		131
		121
		116
		126
ЛТП-1	950	109	120,6	109	100
		163
		156
		118
		101
ЛТП-1	1050	136	134,8	101	125

По данным таблицы 2.2, видим, что обжиг проведен не по полной программе, но показатели образцов-кубиков соответствуют ГОСТу, образцы-кубики имеют марку 100-125.

Затем по условиям, выдвинутым заказчиком, в лаборатории составлялась смесь пластификатор+суглинок (пластификатор с участка Ибата и суглинок с участка Бесарык) в разных процентных соотношениях и определялась пластичность, по которой устанавливалось оптимальное количество вводимого пластификатора, результаты сведены в таблицу 4.

 

Таблица 4. Результаты показателей пластичности

 

№ л-т пробы	Состав шихты, %		Влажность, % соответствующая		Число пластич­ности	Классификация по ГОСТ 9169
	сугли­нок	пласти­фикатор	границе текучести	границе рас­катывания
1	100	-	30,75	19,05	11,70	умереннопластич.
2	-	100	87,55	26,70	60,85	высокопластич.
3	90	10	29,80	17,85	11,95	умереннопластич.
4	85	15	30,65	16,90	13,95	умереннопластич.

По данным таблиц 3-4, видим, что показатели образцов-кубиков лабораторно-технологических проб, обожжённых в интервале температур 850-1000 С удовлетворяют требования ГОСТа и имеют марку «125».

При больших показателях прочности образцы-кубики имеют оплавы. После пропаривания образцы-кубики не имели трещин и отколов, но поверхность образцов-кубиков имела незначительные белые налёты (присутствие водорастворимых солей) и известковые включения. Из выше приведенного видно, что представленное глинистое сырьё для исследования удовлетворяет по прочностным свойствам требования ГОСТ 530-2007. По химическому анализу в пробе SО3 общ=0,42%. Минералы, содержащие сульфидную серу отсутствуют. Сульфатная сера присутствует в рассеянных микроскопических пластинках гипса. Исследуемое сырье представлено глиной, состоящей из пелитовых частиц размером <0,01мм (-95%) и алевритового материала размером > 0,01мм (~ 5%). Пелитовый материал (размер частиц от 0,01мм и меньше) представлен монтмориллонитом в смеси с гидрослюдой и с примесью гидроокислов железа и тонкоизмельченных алюмосиликатов. Тип глины - гидрослюдисто - монтмориллонитовый.

Выводы. Качественная характеристика глинистого сырья для испытания, множество лабораторно-технологических проб с пластификатором, были исследованы как сырье для производства строительного кирпича методом пластического формования на пластичность и прочность при сжатии. Глинистая порода, предназначенная для производства керамического кирпича, оценивается общей минералого-петрографической характеристикой, содержанием основных химических составляющих, показателями технологических свойств и определение удельной эффективности естественных радионуклидов. Основными показателями технологических свойств являются гранулометрический состав, содержание крупнозернистых включений, в том числе карбонатных включений, пластичность, коэффициент чувствительности глинистого сырья к сушке, а также линейные усадки, спекаемость, прочность обожженных изделий и морозостойкость. Для окончательного решения вопроса о пригодности глинистого сырья для производства кирпича необходимо провести испытания сырья в полном объеме.

Проанализировав полученные данные результатов исследований лабораторно-технологической пробы с добавкой пластификатора (суглинок -90% + пластификатор - 10%) можно сделать следующие выводы:

1. по пластичности глинистое сырье относится к группе умереннопластичного сырья;

2. по пределу прочности при сжатии образцы-кубики лабораторно-технологических проб, отвечают требованиям ГОСТа;

По результатам исследований лабораторно-технологической пробы с пластификатором можно сделать следующее заключение:

1. в интервале температур 850-1050°С из лабораторно-технологической пробы с добавлением пластификатора можно методом пластического формования получить кирпич марки - «125» с хорошим запасом прочности;

2. интервал обжига - 200°С.

Литература

1. Сабитов А.А., Гонюх В.М., Трофимова Ф.А. Проблемы производства высококачественных глинопорошков для буровых растворов в России и пути их решения / Нефть и капитал, 2001, №10. С.23-25.

2. Трофимова Ф.А., Эйриш М.В. Технология получения высококачественных глинопорошков для бурения на базе месторождений бентонитов республики Татарстан / Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции по технологии неорганических веществ. Менделеевск. 2001. С.208.

3. Гревцев В.А., Трофимова Ф.А., Аухадеев Ф.Л.. Метод ПМР при исследовании свойств модифицированных бентонитов / Тезисы докладов IX Всероссийской конференции «Структура и динамика молекулярных систем». Яльчик. 2002. С.49.

4. Гревцев В.А., Аухадеев В.Л., Трофимова Ф.А. Исследование вещественного состава и технологических свойств модифицированных бентонитов методом ПМР / Сборник статей. IX Всероссийская конференция «Структура и динамика молекулярных систем» - Яльчик. 2002. т. 1. С.154-157.

5. Патент РФ № 2191794. Способ получения глинопорошков для буровых растворов/ Эйриш М.В., Трофимова Ф.А., Хасанов Р.А. Опубл. 20.06.2002. Бюл. №17.

6. Гонюх В.М., Лыгина Т.З., Трофимова Ф.А., и др. Технология переработки основных видов неметаллов: анализ, перспективы развития / Разведка и охрана недр. М. 2003, №3. С.37-40.

Код для цитирования: Скопировать