УДК 66.022.51+66.022.52::661.872.222.3
ПОЛУЧЕНИЕ ЖЕЛЕЗООКСИДНОГО ПИГМЕНТА ИЗ ПЫЛИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
© Федосеева Елена Николаевна, канд. хим. наук, e-mail: el.nik.fedoseeva@gmail.com;
Занозина Валентина Федоровна, канд. хим. наук, e-mail: adzorin@mail.ru; Зорин Аркадий Данилович, д-р хим. наук, e-mail: adzorin@mail.ru; Самсонова Людмила Евгеньевна, e-mail: SamsonovaLE@gmail.com ФГАОУ ВПО «Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского», Научно-исследовательский институт химии. Россия, г. Нижний Новгород
Статья поступила 05.06.2014 г.
Предложена нетрудоемкая технология получения красного железооксидного пигмента из пылевидных железосодержащих отходов металлургической промышленности. Проведен анализ сырьевой базы и рентабельности его производства. Исследованы химические и красящие свойства пигмента, а также представлены некоторые свойства силикатного кирпича и бетонов, окрашенных этим пигментом.
Ключевые слова: железооксидный пигмент; пигментные свойства; силикатный кирпич; бетон; окрашивание.
Разнопрофильные производства, на первый взгляд, не связанные друг с другом, могут иметь точки соприкосновения, способные привести к взаимовыгодному сотрудничеству. На примере анализа функционирования промышленности Нижегородской обл. можно отметить, что заводы металлургического направления, обремененные большим количеством железосодержащих отходов, нуждаются в их утилизации и реализации [1]. При минимальной обработке некоторые виды таких отходов можно использовать в строительном комплексе в качестве минерального пигмента [2-5].
Цель работы - определение значимых характеристик железосодержащих отходов металлургической промышленности, определяющих возможность их переработки и создание нетрудоемкой технологии производства железоокисного пигмента.
Таблица 1. Мощности по производству силикатного кирпича предприятиями Нижегородской обл.
Предприятие Производительность (млн шт. условных силикатных кирпичей)
ОАО «Навашинский завод строительных материалов» Около 95,1
ЗАО «Борский силикатный завод» Около 81,2
ООО «Силикатстрой» Около 74,2
ОАО «Нижегородский силикатный завод № 1» Около 69,7
В Нижегородской обл. проводится большая работа по выявлению отходов разного рода и их утилизации. По данным Департамента федеральной службы по надзору в сфере природопользования по Приволжскому Федеральному округу только за 2012 г. масса отходов типа металлургического шлака, пылей, съемов достигла 129,38 тыс. т. Отсюда очевидно, что ресурсы железосодержащего вторичного сырья в области практически неограничены. Переработка их в железооксидные пигменты имеет хорошую перспективу.
Тенденции изменения экономической ситуации таковы, что расходы металлургических предприятий по обеспечению жизненного цикла отходов будут значительно увеличиваться в связи с ужесточением законодательства в сфере экологии и налогообложения, и это может сделать переработку отходов насущной необходимостью.
Учет объемов производства силикатного кирпича и окрашенных бетонных изделий в Нижегородской обл. позволяет установить объемы потребления железооксидных пигментов. По данным Нижегород-стата, производство условных кирпичей возросло с 287,17 млн в 2011 г. до 311,35 млн в 2012 г.
В состав строительного комплекса Нижегородской обл. входят несколько крупных предприятий, в том числе по производству силикатного кирпича (табл. 1),
Удобно оценить потребность в железооксидном пигменте на примере предприятия ООО «Силикатстрой», выпустившего в 2012 г. 74,2 млн шт. условного силикатного кирпича. В эту массу включены и белые, и цветные кирпичи. При производстве цветного
кирпича в месяц использовалось около 30 т пигмента при условии введения его в сухую массу заготовки в количестве 2 мас. %. В ассортимент продукции входят кирпичи с разной окраской: 60% - желтые кирпичи, 40% - темные. Количество пигментов, необходимое для колеровки темных кирпичей, в месяц составляет порядка 12 т, из них примерно 40% - железооксидные. Таким образом, общее потребление железооксидных пигментов предприятием ООО «Силикатстрой» в месяц достигает уже примерно 5 т. Планируется же добавление не 2, а 4-5 мас. % пигмента. В этом случае предприятию потребуется в месяц не менее 10 т красителя. С учетом потребностей трех других производителей кирпича понадобится до 40 т железооксидного пигмента в месяц.
Производители бетонных изделий (бордюров, заборов, ступеней и т.д.) также используют колеровку железооксидными пигментами, в связи с чем потребность в последних возрастает в общей сложности в несколько раз. Отметим, что в бетонные изделия на основе цементно-песча-ных смесей добавки пигмента могут достигать порядка 30 мас. %.
Стоимость товарных железооксидных пигментов в настоящее время1 составляет от 60 до 90 тыс. руб. за 1 т. Следует ожидать, что железо-оксидные пигменты, полученные из пылевидных отходов металлургического производства, будут конкурентоспособными и потому рентабельными при использовании в строительном комплексе. Основанием для такого вывода является дешевизна исходного сырья, возможность применения несложного технологического процесса производства пигмента, использование стандартного оборудования. Таким образом, разработка технологий производства железооксидных пигментов, позволяющих заменить традиционное сырье подходящими промышленными отходами, весьма актуальна [6].
Железо в виде Fe2O3 в довольно больших количествах содержится в шлаках, золошлаках и пылевидных отходах металлургических производств. В работе [7] показано, что сырье для производства пигментов должно содержать не менее 40 мас. % оксида железа (III). Однако использованию шлаков и золошлаков мешает поЯ вышенное содержание оксидов кремния, цинка,
^ кальция и др.
^ Наиболее перспективны пыли, характеризу-
t ющиеся пониженным содержанием влаги и высо-
>.
с;
<
й! 1 На момент написания статьи.
кой степенью дисперсности [8], что ведет к упрощению технологического процесса переработки отходов в пигмент.
Типичный химический состав пылевидных отходов металлургических производств (табл. 2) кроме оксида железа включает оксиды других элементов, а также водорастворимые компоненты, обнаруживаемые при обработке исследуемого пигмента дистиллированной водой (табл. 3).
Известно, что содержание водорастворимых компонентов в железооксидных пигментах, используемых в производстве силикатных кирпичей и бетонных изделий, должно быть не более 3 мас. %. Для исследуемого пигмента эта величина не превышает примерно 3,4 мас. %.
Однако вымываемость тех же компонентов из массива окрашенного кирпича или бетона значительно ниже (табл. 4), т.е. не может служить основанием отказа от применения исследуемого
Таблица 2. Химический состав пылевидных отходов металлургических производств, перерабатываемых в пигментную продукцию
Компонент Содержание, мас. %
Железо (25,0-32,7) ± 2,5
Цинк (10,1-12) ± 2,4
Хром (0,10-0,11) ± 0,03
Марганец (0-1,50) ± 0,15
Медь (0,16-0,20) ± 0,02
Свинец (0,26-1,1) ± 0,2
Никель (0,02-0,05) ± 0,01
Кальций (6,6-10,0) ± 1,0
Магний (1,1-14,6) ± 1,5
Натрий (0,8-1,2) ± 0,1
Калий (0-1,0) ± 0,1
Кремний (2,1-3,5) ± 0,2
Алюминий (0,3-1,6) ± 0,2
Гидроксид-ионы 0,45 ± 0,07
Нитрат-ионы (водорастворимые) 0,0030 ± 0,0009
Хлорид-ионы (водорастворимые) (1,04-11,0) ± 1,1
Сульфат-ионы (водорастворимые) (0,10-1,9) ± 0,02
рН водной вытяжки (пигмент: вода = 1:5) 10
Кислород 12,0
Вода (0-6,0) ± 0,3*
* Допустимый интервал концентраций указан для большего содержания определяемого компонента.
Таблица 3. Состав водной вытяжки из пигмента железооксидного, получаемого из железосодержащей пыли
Таблица 4. Состав водной вытяжки из кирпича, окрашенного пигментом железооксидным
Компонент Содержание, мг/л
Цинк 3,0 ± 0,45
Хром 14,4 ± 2,2
Марганец 2,0 ± 0,3
Медь <0,1
Свинец 6,9 ± 1,0
Никель 0,5 ± 0,1
Железо 1,9 ± 0,3
Кальций 6449,3 ± 650,0
Магний 0,1 ± 0,02
Натрий 2175,6 ± 220,0
Калий 2693,4 ± 270,0
Хлорид-ионы 22 000 ± 2200
Нитрат-ионы 69,0 ± 17,0
Сульфат-ионы 209,0 ± 52,0
Гидроксид-ионы 0,09 ± 0,01
рН 10
пигмента для окрашивания строительных материалов. Тем более что воздействию атмосферной влаги подвергается лишь поверхность кирпича.
Кроме химического состава был определен ряд типичных для пигментной продукции характеристик пылевидных металлургических отходов и пигмента на их основе. Одной из важнейших является дисперсный состав. Ситовый анализ свидетельствует о значительном содержании крупных частиц в исходной пыли. Доля фракции размером <25 мм достигает порядка 40 мас. %. Для доведения размеров частиц пыли до значений, требуемых для производства пигментов, размол выполняли в шаровой мельнице. Седи-ментационный анализ показал, что после размола фракционный состав пигмента становится более однородным. Приемлемый размер частиц пигмента соответствует 10-12 мкм. Частицы такого размера относятся к среднедисперсным, что обеспечивает седиментационную устойчивость пигмента в процессе изготовления кирпича с образованием тонких устойчивых взвесей.
Известно, что на качество пигмента влияет и форма частиц, наиболее благоприятна - сферическая. Из микрофотографий (см. рисунок) видно, что частицы как исходного сырья, так и пигмента в основном имеют правильную сферическую форму.
Кроме того, были изучены укрывистость исследуемого пигмента (по ГОСТ 8784-75), его светостойкость (по ГОСТ 21903-76) и маслоемкость (по ГОСТ 21119.8-75).
Компонент Содержание, мг/л
Цинк 0,01
Хром 0,05
Марганец 0,01
Свинец 0,1
Никель 0,03
Железо <0,2
Магний 0,5
Хлорид-ионы 250
Нитрат-ионы 1,5
Сульфат-ионы 25
Микрофотографии железооксидного пигмента на основе отходов (а) и исходной пыли металлургического производства (б)
Укрывистость пигментов считается хорошей, если она укладывается в параметры 20-60 г/м2 поверхности изделия. Укрывистость железооксидного пигмента, полученного из пыли металлургического производства, составляет 29-30 г/м2, что характерно для железооксидных пигментов среднего качества.
Маслоемкость, т.е. способность частиц пигмента удерживать на своей поверхности о
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.