Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В СИСТЕМЕ САО–SiO2–H2O В ПРИСУТСТВИИ НЕКОТОРЫХ ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ МИНЕРАЛОВ

Шаповалов Н.А. 1 Бушуева Н.П. 1 Панова О.А. 1
1 Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
Для использования вскрышных пород железорудных месторождений и отходов ГОКов, содержащих сульфидные минералы, в производстве силикатных материалов необходимо исследовать возможность процессов окисления, гидратации, взаимодействия их в смеси СаО–SiO2–Н2О. Метаморфические сланцы – это скальные вскрышные породы, включающие сульфидсодержащие минералы: пирит, марказит, халькопирит, при окислении которых образуется Fe2O3. В отходах ГОКов присутствуют оксиды железа в различном валентном состоянии. Установлено, что участие пирита в процессах твердения в силикатных смесях определяется значением окислительного потенциала системы; взаимодействие идет только по поверхности зерна с образованием гидроферрита кальция 3СаО.Fe2O3.Н2О. Появление в результате окисления пирита FeS2 сульфат ионов SO42- ускоряет растворение гидроксида кальция в гидротермальных условиях, способствует образованию гидросиликатов кальция. Все это в совокупности приведет к улучшению качества силикатных изделий.
железосодержащие минералы
пирит
сульфид железа
окисление
взаимодействие
известь
силикатные смеси
гидротермальные условия
1. А.с. СССР № 1655946. Бушуева Н.П., Воробьев Х.С., Соколовский В.А., Кудеярова Н.П. Вяжущее для изготовления изделий автоклавного твердения. – 1991. Бюл. № 22.
2. Бабушкин В.И., Коломацкий А.С., Толстой А.Д. Процессы взаимодействия пирита заполнителей с твердеющим цементом // Коррозия и первичная защита бетона: тез. докл. конф. – М., 1983. – С. 61–62.
3. Бушуева Н.П., Воробьев Х.С., Кудеярова Н.П. О возможности использования метаморфических сланцев КМА в производстве силикатного кирпича // Строительные материалы. – 1986. – № 11. С. 14–16.
4. Бушуева Н.П., Кудеярова Н.П., Нестерова Л.Л. Микроскопические исследования твердения при введении пирита // Энергосберегающая технология строительных материалов: сб. тр. БТИСМ. – Белгород, 1988. – С. 41–42.
5. Киселев М.Ю. Механизм и кинетика растворения пирита методом электрохимической хлоринации // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. – 2010. – № 4. – С. 101–104.
6. Соболев А.Е. Кинетика взаимодействия пирита с пероксидом водорода // Химия и хим. технология: VIII Региональные Каргипкие чтения. Областная научно-техническая конференция молодых ученых. – Тверь, 2001. – С. 38.
7. Чаманский К. Растворимость сульфидов в водных растворах // Проблемы эндогенных месторождений. – М.: Недра, 1960. – Вып. 1. – С. 59–80.
8. Шаповалов Н.А., Бушуева Н.П., Панова О.А. Влияние железосодержащих минералов на процесс образования двухкальциевого силиката / Н.А. Шаповалов, Н.П. Бушуева, О.А. Панова // Технические науки – от теории к практике: материалы XXI международной заочной научно-практической конференции. (15 мая 2013 г.). – Новосибирск: Изд. «СибАК», 2013. – С. 146–152.
9. Шауман Э. Внедрение сульфат-ионов в кристаллическую решетку 11Å тоберморита // 6 Международный конгресс по химии цемента. – М.: Стройиздат, 1976. – Т. 2. – Кн. 1. – С. 220–223.

Использование отходов ГОКов при производстве обжиговых вяжущих [8, 1], изделий автоклавного твердения [3] невозможно без исследования влияния входящих в состав минералов на процессы твердения известково-кварцевой смеси. Поэтому необходимо изучить поведение некоторых железосодержащих сульфидов в гидротермальных условиях, оценить энергетическую возможность протекания реакций окисления, гидратации, взаимодействия, определить, какие в результате этих процессов возникают новообразования и как все это в совокупности скажется на качестве получаемых изделий.

Отсев дробления метаморфических сланцев ГОКов, кроме кварца, слоистых алюмосиликатов содержит сульфиды железа в количестве до 10 % (пирит, марказит, халькопирит) [3]. Хвосты мокрой магнитной сепарации железной руды, которые складируются в отвалы, также содержат кварц, некоторое количество биотита (до 10–15 %), гематита a-Fe2O3. Поведение железосодержащих минералов, особенно сульфидов в силикатных смесях, носит спорный характер.

По данным [2], пирит и марказит относится к минералам, химически неустойчивым к воздействию атмосферы и поровой жидкости цементного камня, способным к окислению и гидратации. На основании диаграмм Eh-pH системы FeS2–H2O определена термодинамическая устойчивость пирита в жидкой фазе твердеющего цемента [7].

При температуре 20 °С после семисуточного пребывания пирита в воде не наблюдается изменения рН-жидкой фазы, по результатам химического анализа в растворе отсутствуют ионы SО42– и железа. Микроскопические исследования и рентгенофазовый анализ свидетельствуют об отсутствии процессов окисления пирита.

При повышении температуры раствора до 100 °С при атмосферном давлении наблюдается слабое окисление пирита на поверхности зерен, а при исследовании жидкой фазы тонкоизмельченного пирита рН среды уменьшается до 4,498, количество SО42– в растворе составляет 12,3 % в пересчете на SО3 от общего содержания серы в исходном FeS2.

В условиях гидротермальной обработки при температуре 200 °С и давлении насыщенного пара 1,6 МПа процесс окисления пирита ускоряется, зерна минерала покрываются оксидной пленкой Fe2О3. С увеличением количества продуктов окисления, покрывающих зерна исходных минералов, процесс значительно замедляется. В случае мелкодисперсного пирита рН-среды составляет 4,49, количество SО42– в жидкой фазе составляет 16,3 % в пересчете на SО3, а Fe3+ – 5,07 % от содержания железа в исходном пирите.

При использовании концентрированного раствора перекиси водорода наблюдается интенсивное взаимодействие его с FeS2, которое сопровождается интенсивным выделением тепла. Процесс окисления протекает по механизму:

2FeS2 + 18H2O + 17О2 → 2Fe(ОН)4– + 4SО42– + 28ОН–.

С увеличением степени несовершенства структуры и дисперсности пирита интенсивность и степень окисления возрастает.

Основу структуры пирита составляет кубическая решетка. Каждый ион двухвалентного железа окружен шестью спаренными ионами [S2]2– [5]. Спектр пирита представляет собой одинарный симметричный квадрупольный дублет. Мессбауэровские спектры пирита, прошедшего гидротермальную обработку при температуре 100 и 200 °С (рис. 1), обнаруживают асимметрию, обусловленную тем, что наблюдается заметное уширение левой компоненты в верхней части, кроме того, существует и интегральная асимметрия: отношение интенсивностей левой и правой компонент равно 0,11 ± 0,05.

аpic_34.tif б pic_35.tif
вpic_36.tif гpic_37.tif

Рис. 1. Мессбауэровские спектры поглощения природного (а), пропаренного (б) и после гидротермальной обработки (в) пирита и разложение участка спектра, заключенного в прямоугольник, на компоненты (г)

Математическая обработка спектров, проведенная на ПК, показала, что эти спектры можно представить в виде суперпозиции двух дублетов, параметры одного из которых соответствуют ионам Fe2+, параметры другого – ионам Fe3+ (табл. 1).

Таблица 1

Параметры спектров ЯГР (мм/с)

Номер образеца

Температура обработки, °С

Г1

Г2

e1

e2

d*1

d2

1

20

0,41

0,41

2,70

1,45

2

100

0,33

0,41

2,95

0,25

1,50

0,60

3

200

0,33

0,41

2,95

0,33

1,45

0,56

Примечание. * – значения химического сдвига приведены относительно нитропрусида натрия

Содержание Fe3+, определенное по данным ЯГР-спектроскопии и расчета (табл. 2), хорошо согласуются между собой – в среднем различие составляет 0,3 %. В то время как химический анализ дает величину Fe3+, завышенную примерно на 1,5 %. Неточность химического анализа связана с трудностями определения трехвалентного железа в присутствии Fe2+.

Таблица 2

Содержание трехвалентного железа по данным ЯГР-спектроскопии (Fe3+ЯГР), химического анализа (Fe3+х.а) и расчета по математической модели (Fe3+расч)

Номер образеца

Fe3+ЯГР

Fe3+х.а

Fe3+расч

2

0,67

0,70

2,3

3

4,20

3,90

5,1

Анализ ЯГР-спектров проб пирита показал, что спектр пирита представляет собой симметричный квадрупольный дублет. После гидротермальной обработки пирита обнаружено отклонение от симметрии дублета, он становится асимметричным, что вызвано наличием ионов Fe3+.

При исследовании поведения пирита в смеси с известью в гидротермальных условиях определено для молекулярного соотношения СаО:FeS2 ≤ 2 после 12 часов выдержки образуются ангидрит, гематит, гидроксид железа. Однако степень окисления мелкодисперсного пирита мала и составляет ~ 27 %.

С целью ускорения процессов окисления и взаимодействия и выявления возможных продуктов реакции в смесь вводили в качестве интенсификатора перекись водорода [6]. После 24 часов гидротермального твердения по результатам рентгенофазового, проведенного при использовании Fe-антикатода (рис. 2) и дифференциально-термического анализа (рис. 3) обнаружены кристаллы гидроферрита C3FH6.

pic_38.wmf

Рис. 2. Рентгенограмма пирита, автоклавированного в смеси Са(ОН)2-FeS2

Дифракционные максимумы 2,98; 2,26 Å и эндотермические эффекты (–) 120, (–) 185, (–) 330 °С свидетельствуют о наличии высокосульфатной формы гидросульфоферрита кальция 3СаО∙Fe2O3∙3CaSO4∙32H2O, который по своим морфологическим и структурным свойствам аналогичен эттрингиту – сульфоалюминату кальция и при температурах 150–200 °С является неустойчивым соединением [9].

По результатам химического анализа (табл. 3), исходя из расчета по количеству прореагировавших исходных компонентов, новообразования имеют состав хСаО∙уFe2O3∙zCaSO4∙nH2O близкого к высокосульфатной форме гидросульфоферрита кальция.

Смеси 1-1 и 2-1 автоклавировали по режиму – 2-12-2; смеси 1-2 и 1*-2 – 2-24-2.

Таблица 3

Результаты химического анализа смеси СаО–FeS2–H2O2 после гидротермальной обработки при температуре 175 °С

Номер смеси

Содержание Са(ОН)2, %

Содержание FeS2, %

п.п.п., %

Расчетная формула новообразований хСаО∙уFe2O3∙zCaSO4∙nH2O

исх.

после автоклав.

исх.

после автоклав.

1-1

55,16

35,74

44,84

32,70

33,29

3,37СаО∙8,1Fe2O3∙27,1CaSO4∙nH2O

2-1

68,25

40,53

31,75

11,95

47,52

2,5СаО∙13,2Fe2O3∙44,9CaSO4∙nH2O

1-2

55,16

34,85

44,84

32,68

34,02

4,1СаО∙8,15Fe2O3∙27,4CaSO4∙nH2O

1*-2

55,16

7,26

44,84

38,45

38,45

24,51СаО∙8,34Fe2O3∙28,52CaSO4∙nH2O

Примечание. * – использование окислителя.

pic_39.tif

Рис. 3. Термограмма автоклавированной смеси Са(ОН)2–FeS2 (2-24-2)

Следовательно, при окислении пирита образуются ионы SO42– и Fe3+, в присутствии которых (в гидротермальных условиях) ускоряется процесс растворения Са(ОН)2 и образование гидроферритов и гидросульфоферитов кальция.

Исследование поведения пирита в известково-кварцевой смеси проводили в образцах силикатного вяжущего состава СаО:SiO2 = 1, изготовленных с введением различного количества порошкообразного (частицы менее 0,08 мм) либо зернистого пирита (частицы размером 1–3 мм), а также их смеси при определенном соотношении. Введение пирита ограничивали количеством не более 10 %.

Анализ полученных данных (табл. 4) показывает, что с увеличением размера зерен пирита прочность силикатного вяжущего снижается, а увеличение содержания порошка до 5 % приводит к ее повышению. Однако при введении пирита в количестве 7–10 % от массы вяжущего прочность образцов понижается, но абсолютное ее значение близко по значению к прочности вяжущего без добавки.

Добавка пирита способствует появлению сульфат ионов SO42– в жидкой фазе, что ускоряет процесс растворения гидроксида кальция Са(ОН)2, а тем самым его взаимодействие с кремнекислотой и образование гидросиликатов кальция. После 4-х часов изотермической выдержки появляется CSH (I), переходящий при длительном автоклавировании в тоберморит. Количество CSH (I) и тоберморита в образцах заметно повышается уже при 1 %-ной добавке пирита. При содержании пирита 7–10 % в образцах после 12 часов автоклавирования обнаруживается безводный ангидрит CaSO4, возможно способствует увеличению доли непрореагировавшего кварца в смеси. В данном случае возможно изоморфное замещение кремнекислородных тетраэдров на сульфат ионы в решетке гидросиликата кальция [4].

Микроскопический анализ автоклавированной смеси СаО-SiO2-FeS2-H2O [6] свидетельствует о том, что основная часть пирита (n = 6,22) сохраняет свою структуру. Окисление возможно только на поверхности зерна. На отдельных участках (увеличение (×288)) видны волокнистые скопления (n = 1,53-1,54), что можно отнести к низкоосновному гидросиликату CSH (I). На границе частиц пирита с известкого-кварцевым вяжущим встречаются кристаллы Fe2O3, Fe(OН)3 и очень редко C3FH6. Новообразований состава C3FСS3H32 не обнаружено.

Таблица 4

Свойства известково-кварцевого вяжущего автоклавного твердения с добавкой пирита

Добавка пирита, %

Содержание Са(ОН)2своб., %

Нерастворим. остаток, %

п.п.п., %

Прочность при сжатии, МПа

менее 0,08 мм

частицы 1–3 мм

1

2

3

4

5

6

1,90

8,65

10,86

48,5

1

1,48

8,50

11,45

50,8

3

1,23

8,21

9,48

53,6

5

1,10

7,67

8,95

54,7

7

1,03

7,60

8,80

52,0

10

1,00

7,45

9,51

44,3

1

1,95

9,60

11,30

43,0

3

1,98

10,1

12,72

40,3

5

2,50

10,5

12,50

39,6

7

3,30

11,0

11,93

37,9

10

4,50

15,4

11,57

37,5

1

3

2,33

9,15

12,45

44,6

4

1

0,80

8,12

10,40

54,5

Следовательно, возможность процесса взаимодействия пирита в силикатных смесях определяется окислительным потенциалом системы. Окисление пирита может привести к улучшению свойств силикатных изделий. Взаимодействие идет по поверхности зерна, фазовый состав новообразований зоны контакта – кальциевые гидраты C3FH6, возможно образование гидроксида и оксида железа.

Рецензенты:

Везенцев А.И., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой общей химии Национального исследовательского университета «БелГУ», г. Белгород;

Немец И.И., д.т.н., профессор кафедры строительного материаловедения, изделий и конструкций Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова, г. Белгород.

Работа поступила в редакцию 03.06.2013.


Библиографическая ссылка

Шаповалов Н.А., Бушуева Н.П., Панова О.А. ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В СИСТЕМЕ САО–SiO2–H2O В ПРИСУТСТВИИ НЕКОТОРЫХ ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ МИНЕРАЛОВ // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 6-6. – С. 1372-1376;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=31743 (дата обращения: 20.11.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074