К.т.н. Румянцева Е.Л., к.т.н. Белецкая В.А.

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Белгородский государственный университет», Россия

Перспективы получения синтетического гипса с заданными свойствами

Разработка энергосберегающих технологий, позволяющих заменить традиционное сырье в существующих производствах подходящими техногенными материалами, является актуальной задачей. В качестве альтернативного варианта нами предлагается использовать высокоосновные низкоактивные шлаки как сырье для химической переработки с целью получения конкурентноспособной продукции - наноматериалов и нанокомпозитов в виде: гидратов сульфата кальция (мономинерального дигидрата сульфата кальция, полугидрата сульфата кальция, поликомпонентной гипсосодержащей суспензии), коллоидной кремниевой кислоты, гетита и т.д. Преимущество синтетического материала состоит в том, что при его изготовлении представляется возможным управлять физико-механическими свойствами целевого продукта.

Процесс химической переработки шлака включает несколько этапов:

- перевод твердого вещества в раствор;

- химические реакции в растворе;

- кристаллизацию новой твердой фазы из техногенного раствора.

В результате выщелачивания шлака возникновение и рост частиц новой фазы связаны с их прохождением через стадию коллоидной дисперсности. Путем изменения химико-технологических параметров процесса выщелачивания шлака, можно регулировать механизм кристаллизации, фазовые и структурные превращения в системе, прогнозировать состав и свойства конечного продукта.

Один из возможных способов получения высокодисперсных кристаллов синтетического гипса предусматривает обработку суспензии шлака соляной кислотой с последующим осаждением ионов кальция из образовавшегося техногенного раствора [1]. Суть действия соляной кислоты заключается в реакции с минералами шлака, в результате которого образуются легкорастворимые соли, а также мономерная кремниевая кислота, участвующая в сложных коллоидно-химических процессах и оказывающая модифицирующее воздействие на структуру и габитус кристаллов синтетического гипса [2].

Установлено, что в первые минуты взаимодействия техногенного раствора и серной кислоты образуются мелкие игольчатые кристаллы длиной до 50 мкм, которые затем формируют радиально-лучистые скопления. Сечение этих кристаллов имеет правильную гексагональную форму, длина ребра которого составляет 5 мкм (рис. 1а).

Через 2-2,5 часа иглообразные кристаллы замещаются таблитчатыми толщиной 100 - 300 нм. Средний размер таблитчатых кристаллов 6,0x60,0 мкм. В процессе роста удлиненных таблитчатых кристаллов наблюдается возникновение двойникования. Образующиеся при этом двойники роста имеют форму так называемого «ласточкина хвоста» (рис. 1б).

а) б)

Рис. 1. Микроструктура синтетического гипса: а) через 10 мин; б) через 2,5 часа

Спустя двое суток пребывания дигидрата сульфата кальция в маточном растворе происходит наслаивание игольчатых кристаллов на плоской поверхности таблитчатых кристаллов, формируются друзы нарастания (рис. 2а). На снимке показан момент образования фазовых контактов, завершающийся на более поздних стадиях формированием слоисто-пакетной структуры (рис. 2б).

а) б)

Рис. 2. Микроструктура синтетического гипса: а) через 2 сут; б) через 5 сут

Таким образом, процесс кристаллизации синтетического гипса из техногенного солевого раствора включает следующие стадии:

а) кристаллизация игольчатых, гексагональных в поперечном сечении, кристаллов длиной до 50 мкм;

б) образование двойников роста и таблитчатых кристаллов, толщиной до 300 нм;

в) образование фазовых контактов, завершающееся на более поздних стадиях созданием слоисто-пакетной структуры.

Полученные результаты позволяют сформулировать исходные требования к практическим разработкам и создать гибкую технологию получения продукта с заданными свойствами.

Литература:

1. Румянцева, Е.Л. Шлак ОЭМК – сырье для химической переработки / Е.Л. Румянцева, В.А. Белецкая // Экология и промышленность России. – 2010. - №1. – С. 15 – 17.

2. Румянцева Е.Л. Исследование коллоидно-химических закономерностей выщелачивания высокоосновного сталеплавильного шлака / Е.Л. Румянцева, В.А. Белецкая, И.Д. Корниенко // Известия ТулГУ. Естественные науки. - 2010. - Вып. 1. - С. 197 – 204.