Пигменты на основе шламов водоочистки для декоративного бетона и лакокрасочных композиций
Было также проанализировано влияние добавок пигмента на прочность и структуру цементного камня. Данные о прочности образцов из декоративного вяжущего представлены в таблице 6.
Таблица 6 – Прочность образцов цементного камня
Дозировка пигмента, % | Плотность цементного камня через 28 суток суток твердения, г/см3 | Прочность при сжатии, МПа через | |||
1 сутки | 3 суток | 7 суток | 28 суток | ||
- | 2,42 | 19,5 | 39,2 | 50,4 | 91,0 |
1 | 2,37 | 19,7 | 40,0 | 55,2 | 92,0 |
3 | 2,50 | 18,3 | 38,2 | 57,1 | 88,3 |
5 | 2,52 | 17,4 | 38,1 | 56,3 | 85,4 |
8 | 2,49 | 15,6 | 36,9 | 52,5 | 81,4 |
10 | 2,45 | 14,2 | 36,2 | 51,7 | 71,8 |
15 | 2,43 | 12,7 | 34,1 | 44,8 | 66,9 |
Как следует из таблицы, при дозировке марганцевого пигмента до 5 % не происходит значительного снижения прочности цементного камня. Введение в цемент пигмента практически не влияет на плотность цементного камня.
На следующем этапе исследовалась прочность бетонных изделий при различных добавках пигмента. Результаты представлены в таблице 7.
Таблица 7 – Прочность бетона при сжатии на ПЦ-400 Д20 с марганцевым пигментом
Количество пигмента | Прочность бетона при сжатии, МПа, через | |||
3 суток | 28 суток | |||
твердение в норм. условиях | пропаривание | твердение в норм. условиях | пропаривание | |
В/Ц=0,70 | ||||
Без пигмента | 7,1 | 16,9 | 21,2 | 28,0 |
6,5% | 7,9 | 17,0 | 22,2 | 27,5 |
10% | 7,7 | 16,8 | 21,6 | 26,9 |
В/Ц=0,5 | ||||
Без пигмента | 8,6 | 24,5 | 24,2 | 26,2 |
6,5% | 9,3 | 24,9 | 26,2 | 28,7 |
10% | 8,7 | 24,3 | 24,6 | 26,4 |
В/Ц=0,35 | ||||
Без пигмента | 13,8 | 35,2 | 35,6 | 42,7 |
6,5 % | 17,7 | 35,6 | 36,3 | 40,5 |
10% | 16,8 | 34,8 | 35,6 | 39,7 |
Как следует из результатов, приведенных в таблице 7, ярко выраженной зависимости прочности бетона при введении до 10% пигмента не наблюдается. Можно предположить, что при небольших дозировках марганцевый пигмент выполняет роль демпфирующей добавки, повышая прочность образцов. При больших дозировках пигмент обволакивает поверхность заполнителя бетонной смеси и препятствует набору прочности, так как не является связующим материалом.
Шестая глава посвящена решению компоновки принципиальной технологической схемы переработки марганцевого шлама и расчету экономико-экологической эффективности процесса.
Исходя из исследованных параметров получения пигмента, предлагается следующая технологическая схема (рисунок 9).
Рисунок 9 – Технологическая схема переработки марганцевого шлама в пигмент
Исходный марганцевый осадок поступает в аппарат репульпации исходного сырья – 1, в котором происходит «распускание» агрегатов осадка. Получившаяся суспензия осадка насосом 2 подается на два последовательно расположенных гидроциклона, которые необходимы для отделения частиц песка (42,23 % по массе). Песок направляется на песковые площадки – 8 для подсушки и дальнейшего использования, например в качестве наполнителя для гидроизоляционных мастик или минерального порошка при производстве асфальтобетона. Очищенный марганцевый шлам поступает в сборник очищенного от песка сырья – 4, откуда насосом подается в отделение фильтров – 5. Отфильтрованный продукт подается в прокалочную печь – 6, где происходит обжиг марганцевого шлама при температуре 600 0С в течение 2 часов, и далее, с помощью транспортера, подается на размольное оборудование – 7. В качестве размольного оборудования можно принять шаровые (струйные) мельницы или дисмембратор.
Стоимость работ по захоронению осадка рассчитывается, как сумма оплаты захоронения отходов на полигоне твердых бытовых отходов и платы за перевозку грузов автомобильным транспортом. Расчет платы за захоронение необходимо вести по формуле
Пзах.=СплmотхКэколКинф,
где Спл – ставка за захоронение 1 тонны отхода в ценах 1992 г., 2000 руб/т;
mот – масса отходов, подлежащих захоронению, 33 т;
Кэкол – коэффициент экологической значимости территории Уральского региона, 1,7;
Кинф – коэффициент инфляции с 1992 на начало 2010 г., 39,8.
Пзах.=2 000 руб./т33 т1,739,84,46 млн. руб.
Исходя из годового объема марганцевого шлама 33 т, процентного содержания полезной компоненты (соединений марганца) примерно 30% и технологических потерь в размере 20-30 %, ориентировочный выход пигмента составит 10 т. Себестоимость одного килограмма пигмента составит
Выручка от реализации (ВР) товарного продукта, исходя из рыночной стоимости 1 кг аналогичного пигмента – 100 руб, составит
ВР=10 000кг ·100 руб/кг=1,0 млн.руб.
В целом, как и во всем мире, технология, направленная на экологическую безопасность, является убыточной. Однако возможно получить прибыль за счет экономии средств, направленных на захоронение. В данном случае величина возможной экономии отождествляется суммой прибыли (ПР), которая составляет 3,4 млн. руб. в год.
ПР= Путил.+ВР-=4,63 +1,0-2,4=3,23 млн. руб.
На основе марганцевого пигмента, полученного по технологии разработанной в строительной лаборатории УГНТУ, на ООО «ОДА» (г.Нефтекамск) была выпущена партия краски состава: олифа (оксоль) – 82%, пигмент – 18%.
Было принято решение о применении предложенной технологической схемы переработки шлама в пигмент на предприятии МУП «Нефтекамскводоканал». Экономический эффект ожидается за счет ликвидации захоронения шламов на полигоне – более 3 млн. рублей.
Основные выводы:
- В результате исследования шлама очистки подземных вод Патраковского водозабора г.Нефтекамска установлено, что он содержит свыше 30% соединений марганца, около 40% оксида кремния и является ценным сырьем для получения пигментов строительного назначения. Для получения пигмента в лакокрасочных композициях требуется выделить из шлама частицы оксида кремния и удалить органические соединения, массовая доля которых составляет ~10%. При применении пигмента для окрашивания декоративных бетонов удаление частиц оксида кремния необязательно.
- Исходя из результатов исследования процессов, происходящих при обжиге шлама, следует, что повышение температуры обжига выше 600 0С не целесообразно. Частицы обожженного порошка, состоят из кварцевого ядра с выкристаллизованными на его поверхности частицами оксида марганца. При температуре около 600 0С происходит фазовый переход -кварца в -кварц, с изменением объема ядра частицы, крупные частицы начинают разрушаться на более мелкие, это позволяет в дальнейшем сократить затраты на помол обожженного порошка.
- Получен пигмент, содержащий более 50% оксидов марганца, содержание оксида кремния примерно 30%. Основные свойства: укрывистость – 6,5 г/м2, маслоемкость – 21,9 гмасла/100 гпигм., удельная поверхность – не менее 8000 см2/г.
- Технологический процесс получения пигмента состоит из следующих операций:
- выделение из шлама крупных частиц гравиметрическим методом;
- обжиг шлама при температуре 600 0С в течение 2-х часов для удаления органических соединений, воды кристаллогидратов, фазовых переходов марганцовистых соединений и двуокиси кремния.
- размол обожженного порошка.
- 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.
- При изготовлении декоративных бетонов введение марганцевого пигмента возможно в пределах до 10% от массы цемента. При этом прочность цементного камня и бетона существенно не изменяется.
- Предложена технологическая схема производства пигмента из шлама водоочистки мощностью 10 тонн/год. Основное оборудование: аппарат репульпации осадка; мешалка ВМ 1060Е, 2 шт; насос ФГП 20/10 А, 2 шт; гидроциклон ГЦ 75, 2 шт; сборник сырья, 2 шт; фильтр, 4 шт; прокалочная печь ПК-5.20.5/4; измельчитель-дезинтегратор ПОТОК-3000 М.
- При реализации предложенной по изготовлению строительных пигментов из шлама очистки вод Патраковского водозабора с учетом экологических аспектов можно ожидать экономический эффект более 3,0 млн. рублей в год (в ценах 20010 г.).
Содержание работы опубликовано в 10 научных трудах, из них 5 статей опубликованы в изданиях, включенных в перечень рецензируемых научных журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации в соответствии с требованиями ВАК Минобразования и науки РФ. Получен 1 патент РФ на изобретение.
1 Шаяхметов Р.З. Деманганация природных вод (на примере Краснокамского района и г.Нефтекамска РБ) / В.Д. Назаров, С.Г. Шаяхметова // Строительство, архитектура, коммунальное хозяйство-2004: перспективы и пути развития: Межвузовский сборник научных статей /редкол.: В.И. Агапчев и др. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2004. – С. 199 – 207
2 Назаров В.Д. Особенности деманганации природных вод г.Нефтекамска /В.Д. Назаров, С.Г. Шаяхметова, Р.З. Шаяхметов; редкол.: В.И. Агапчев и др.// Строительство, архитектура, коммунальное хозяйство-2004: перспективы и пути развития: межвузовский сборник научных статей – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2004. – С. 208 – 214.
3 Назаров В.Д. Биологический метод окисления марганца в системе водоснабжения г.Нефтекамска /В.Д. Назаров, С.Г. Шаяхметова, Ф.Х. Мухнуров, Р.З. Шаяхметов // Вода и экология. – 2005. – № 4. – С. 28 – 39.
4 Шаяхметов Р.З. Пути решения проблемы утилизации марганцевого осадка на примере г.Нефтекамска Республики Башкортостан /Р.З. Шаяхметов, В.В. Яковлев; редкол.: В.И. Агапчев и др.//Проблемы строительного комплекса России: материалы X Международной научно-технической конференции при X специализированной выставке «Строительство. Коммунальное хозяйство – 2006» – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2006. – Т. 1. – С. 168 – 170.
5 Шаяхметов Р.З. Получение пигмента в результате утилизации отходов в процессе очистки подземных вод (на примере Патраковского водозабора г. Нефтекамска) /Р.З. Шаяхметов, В.Д. Назаров, В.В. Яковлев, С.Г. Шаяхметова// Башкирский химический журнал – 2007. – Т. 14, № 2. – С. 90.
6 Шаяхметова С.Г. Роль железобактерий при очистке воды от марганца Патраковского водозабора Краснокамского района РБ /С.Г. Шаяхметова, В.Д. Назаров, Р.З. Шаяхметов, В.В. Яковлев// Башкирский химический журнал. – 2007. –Т.14, №2. – С. 126 – 130.
7 Шаяхметов Р.З. Производство строительных пигментов из шламов очистки подземных вод питьевого назначения (на примере Патраковского водозабора г.Нефтекамска РБ)/ Р.З. Шаяхметов, В.В. Яковлев// Бюллетень строительного комплекса РБ. – 2007. – Т.4. – С. 40-43.
8 Шаяхметов Р.З. Методика и практика обоснования эколого-экономической эффективности проекта утилизации марганцевого осадка / Р.З.Шаяхметов, С.А. Исмагилов, В.В.Яковлев, З.А. Фатхутдинов // Башкирский химический журнал. – 2007. Т.14, №4. – С.98-100.
9 Шаяхметов Р.З. Строительные пигменты из шламов водоочистки / Р.З. Шаяхметов, В.Д. Яковлев// Строительные материалы. – 2008. – Т.12. – С. 32-33.
10 Шаяхметов Р.З. Деманганация подземных вод и утилизация шламов водоочистки / Р.З. Шаяхметов, В.Д. Яковлев//Водоснабжение и санитарная техника №10, ч. 2, 2009 г. – Москва: Изд-во ВСТ – С. 25-30
11 Патент №2325332 от 20 июля 2006 г. Способ очистки воды от марганца / В.Д. Назаров, С.Г. Шаяхметова, Р.З Шаяхметов. Опубликовано 27.05.2008. Бюл. №15.