Пигменты на основе шламов водоочистки для декоративного бетона и лакокрасочных композиций

На правах рукописи

ШАЯХМЕТОВ РИНАТ ЗУФАРОВИЧ

ПИГМЕНТЫ НА ОСНОВЕ ШЛАМОВ ВОДООЧИСТКИ

ДЛЯ ДЕКОРАТИВНОГО БЕТОНА И ЛАКОКРАСОЧНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

Специальность 05.23.05 – «Строительные материалы и изделия»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Уфа – 2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Яковлев Владимир Валентинович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Бабков Вадим Васильевич

доктор технических наук, профессор

Крамар Людмила Яковлевна

Ведущая организация ГУП «БашНИИстрой», г.Уфа

Защита состоится «28» мая 2010 года в 15-30 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д. 212.289.02 при ГОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» по адресу: 450080, г.Уфа, ул.Менделеева 195, ауд. 104/.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет».

Отзывы на автореферат просим высылать в количестве двух экземпляров, заверенных печатью, по адресу: 450062, г.Уфа, ул.Космонавтов 1, диссертационный совет Д. 212.289.02.

Автореферат разослан «28» апреля 2010 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Недосеко И.В.

Актуальность проблемы. В настоящее время промышленность стройматериалов нуждается в расширении ассортимента пигментов для декоративных бетонов и лакокрасочных материалов, используемых для фасадной и внутренней отделки зданий. Пигменты, используемые в строительстве кроме общих требований должны обладать повышенной атмосферо- и щелочестойкостью. Этим требованиям обычно отвечают пигменты, полученные на основе неорганических материалов, сырьевая база которых ограничена. На сегодняшний день расширение сырьевой базы для производства пигментов может производиться за счет использования побочных продуктов и отходов промышленности.

Одним из таких отходов являются шламы, образующиеся при очистке питьевой воды подземных водооисточников. В общем объеме воды, подаваемой для хозяйственно-питьевых нужд, около 30% приходится на долю подземных вод, для которых характерны высокие концентрации железа и марганца. Неоспоримым преимуществом подземных водоисточников является их защищенность от загрязнений природного и антропогенного происхождения, а также более низкая себестоимость очистки по сравнению с поверхностным забором воды, поэтому со временем будет наблюдаться тенденция к увеличению подземных водозаборов, а, следовательно, будет увеличиваться объем шламов, образующихся при ее очистке. Шламы представляют собой вещества, классифицируемые по IV классу опасности и обычно подвергаются захоронению на полигонах твердых бытовых отходов. Проблема утилизации таких шламов особенно характерна для Уральского региона, а также для северных и северо-восточных районов Сибири.

Предметом исследования выбран шлам, образующийся при очистке подземных вод на Патраковском инфильтрационном водозаборе г.Нефтекамска Республики Башкортостан. Образующийся в процессе биологической деманганации воды осадок представляет собой порошок черного цвета из-за присутствия в его составе оксида марганца. Шлам не используется и вывозится на полигон твердых бытовых отходов в объеме до 33 тонн в год. В связи с этим актуальным представляется вопрос переработки шлама. Одним из направлений утилизации осадка может быть использование продуктов его переработки в промышленности строительных материалов, в частности, получение пигментов для строительных красок и декоративных бетонов.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка технологии переработки шлама водоочистки подземных вод питьевого водоснабжения РБ для получения пигментов строительного назначения.

Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:

1. Проведение обзора литературных источников по получению строительных материалов из шламов в современном строительстве.

2. Изучение химического состава и анализ кристаллической структуры марганцевого шлама.

3. Разработка способов получения пигмента из марганцевого шлама водоочистки и исследование его свойств.

4. Исследование свойств декоративных бетонов и красочных композиций с пигментом из шлама водоочистки.

5. Разработка технологической схемы получения марганцевого пигмента;

6. Оценка экономической эффективности переработки шлама водоочистки в пигмент.

Научная новизна диссертационного исследования:

1. Выявлен механизм образования зерен шлама водоочистки, состоящих из кремниевого ядра, покрытого пленкой марганцовистых соединений, на основании которого предложен метод ослабления частиц шлама, позволяющий увеличить дисперсность пигмента при помоле с меньшими затратами энергии.

2. Исследованы фазовые переходы основных соединений исходного осадка при обжиге. В диапазоне 500…600 0С происходит фазовый переход MnO2Mn2O3 с уменьшением размеров блоков (от 46 до 34,1 ангстрем); при нагреве свыше 600 0С происходит фазовый переход Mn2O3Mn3O4 с резким увеличением размеров блока (от 34,1 до 93,6 ангстрем); фазовый переход beta-SiO2 alpha-SiO2 происходит при температуре около 600 0С, сопровождается незначительным уменьшением размера блоков двуокиси кремния.

3. Получен пигмент, содержащий более 50% оксидов марганца при содержании оксида кремния около 30%; марганцовистые соединения представлены в основном Mn2O3.

Практическая значимость и реализация работы:

1. Разработаны составы для получения декоративных бетонов. Установлено влияние добавки марганцевого пигмента на прочностные характеристики бетона и цементного камня. Для получения необходимой степени окрашивания без снижения прочности рекомендуется использовать не более 10% марганцевого пигмента. Получены составы лакокрасочных покрытых на основе акрилового лака и олифы. Для получения акрилового покрытия серого цвета необходимо ввести в акриловую белую краску (90% - акриловый лак, 10% - титановые белила) от 0,5 до 2% марганцевого пигмента; для получения лакокрасочного покрытия черного цвета необходимо в олифу (оксоль) добавить 10-15 % марганцевого пигмента.

2. Предложена технологическая схема переработки шламов в пигмент, обладающий требуемыми техническими свойствами. Результаты работы учтены в технологической схеме обезвреживания осадков на водоочистных сооружениях г.Нефтекамска. Разработана методика и произведен расчет экономико-экологической эффективности переработки марганцевого шлама и использование его при производстве строительных материалов. Ожидаемый экономический эффект свыше 3 млн. рублей при переработке годового объема шлама 33 т.

3. По разработанной технологии был получен марганцевый пигмент, свойства которого были исследованы в НИИ «Пигментные материалы» (г.Челябинск). В ООО «ОДА» получена опытная партия красочного состава: олифа – 82%, пигмент – 18%, использованная для окрашивания металлических конструкций.

Автор защищает:

1. Механизм образования шлама и установленные закономерности физико-химических процессов при его обжиге.

2. Технологию получения марганцевого пигмента, на основе шламов очистки подземных вод.

3. Составы лакокрасочных композиций на масляной и акриловой основе и окрашенных бетонов.

Достоверность результатов исследований, выводов и научных положений обеспечивается значительным объемом лабораторных и опытно-промышленных экспериментов, выполненных с использованием современного, прошедшего поверку оборудования, а также многократным взаимным подтверждением результатов, полученных на различном оборудовании.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных международных научно-технических конференциях «Проблемы строительного комплекса России» (г. Уфа, 2005-2009 гг.); на федеральном научно-практическом семинаре-совещании «Эколого-экономические проблемы жилищно-коммунального хозяйства и пути их решения» (г. Челябинск, 2004 г.); на Всероссийской научно-практической конференции «Строительное материаловедение сегодня: актуальные проблемы и перспективы развития» (г.Челябинск, 2010).

Публикации: основное содержание работы опубликовано в 10 научных статьях, 5 из которых опубликованы в изданиях, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации в соответствии с требованиями ВАК Министерства образования и науки. Получен патент на изобретение №2325332 «Способ очистки воды от марганца».

Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов и 7 приложений; содержит 172 страницы машинописного текста, 56 иллюстраций и 21 таблицу. Список использованной литературы включает 113 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований, сформулированы цель диссертации, ее научная новизна и значимость для практики.

Первая глава посвящена рассмотрению возможности использования шламов в различных отраслях промышленности. Выполнен обзор литературных источников по исследованию существующих марганцевых пигментов, используемых в строительстве и технологиям их получения. Рассмотрена номенклатура строительных изделий, содержащих пигменты. Проанализированы основные свойства пигментов и лакокрасочных покрытий на их основе. Рассмотрены вопросы применения пигментов в декоративных бетонах и их влияние на основные свойства бетона. Освещен вопрос высолообразования и методы борьбы с данным явлением.

Во второй главе приведено описание методик и оборудования применяемого при исследовании исходного шлама, получения пигмента из марганцевого шлама, изучения основных свойств лакокрасочных покрытий и декоративных бетонов.

Для выполнения работы применяли следующие материалы:

- вяжущее ПЦ400Д20 ГОСТ10178-85 (ООО «Сода», г.Стерлитамак);

- мелкий заполнитель – песок Чесноковского карьера по ГОСТ 8736;

- крупный заполнитель – гравий Чесноковского карьера по ГОСТ 8736;

- связующее для лакокрасочных композиций – акриловый лак по ГОСТ 11066, олифа (оксоль) по ГОСТ 198;

- пигмент – белила титановые по ГОСТ 9808.

Оценка свойств исходных компонентов и разработанных изделий производилась по методикам соответствующих ГОСТ. Для качественного и количественного анализа исходного шлама и полученных материалов использовались: химический, калориметрический, термический, рентгеновский анализы, а также электронная растровая микроскопия с локальным микроанализом.

Третья глава посвящена изучению состава и характеристик исходного шлама. Выполнены химический, рентгеноструктурный и рентгенофлуоресцентный анализы марганцевого шлама. Приведено электронно-микроскопическое исследование исходного порошка.

Полный химический анализ, проведенный весовым, фотокалометрическими и атомно-абсорбционными методами показал, что исходный шлам содержит следующие компоненты, %: SiO2 – 42,23; MnO – 32,80; Fe2O3 – 4,43; СaO – 4,27; СО2 – 2,56; MgO – 2,50; Р2О5 – 0,66; Cr2O3 – 0,016; Al2O3 – 0,011; PbO – 0,01; CuO – 0,004; потери при прокаливании – 10,51.

Для установления кристаллической структуры отдельных компонентов шлама был проведен рентгеноструктурный анализ вещества. При этом определяются данные расчёта межплоскостных расстояний, углов 2, относительных интенсивностей, высоты рефлексов. Данные о фазах наиболее значительных компонентов, их весовое и объемное значения показаны в таблице 1.

Фаза	Объемная доля (% )	Весовая доля (%)
SiO2(beta-quartz) MnO2(delta) (Mn,Ca)Mn4O9 * 3(H2O) Mn5Si4O10(OH)6	52.3 + 0.4 25.8 + 0.5 15.8 + 1.6 6.1 + 0.3	49.0 + 0.2 22.3 + 0.7 17.2 + 1.6 11.5 + 0.2