Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,441

ZOLA’S RECEIVING OF DIOXIDE OF SILICON MEMBRANE KONTSENTRIROVANIEM OF WATER SOLUTIONS

Gorev D.S. 1 Potapov V.V. 1 Goreva T.S. 2
1 DVO Russian Academy of Sciences Scientific and Research geotechnological center
2 FEFU
Выполнены эксперименты по получению концентрированных водных золей кремнезема. В качестве исходной среды для получения золей использованы растворы силиката натрия. Растворы силиката натрия пропускали через ионообменную смолу (катионит КУ-2) для удаления катионов Na + . Водные золи кремнезема с начальным содержанием SiO2 около 25 г/дм3 концентрировали на баромембранной фильтрационной установке. Установка включала керамическую пористую мембрану микрофильтрационного типа. Проницаемость мембранного слоя при различных перепадах давления была предварительно оценена в экспериментах с водопроводной водой. Определены проницаемость и селективность по кремнезему и растворенным солям мембранного слоя при концентрировании водного золя SiO2. Установлено, что вследствие формирования гелевого слоя на поверхности керамических мембранных трубок проницаемость уменьшалась, а селективность увеличивалась. При этом наблюдали снижение соотношения между содержанием растворенных солей и кремнеземом. Это обеспечивало стабильность концентрированного золя SiO2. Показано, что добавка золя SiO2 эффективно повышает скорость набора прочности бетоном и конечную прочность бетона.
Experiments on receiving concentrated water are executed fill in silicon dioxide. As the initial environment for receiving fill in sodium silicate solutions are used. Solutions of silicate of sodium passed through ion-exchange pitch (kationit KU-2) for removal of cations of Na + . Water of silicon dioxide with the initial maintenance of SiO2 about 25 g/dm3 concentrated Zoli on baromembranny filtrational installation. Installation included a ceramic porous membrane of microfiltrational type. Permeability of a membrane layer at various pressure differences was previously estimated in experiments with tap water. Permeability and selectivity are determined by silicon dioxide and the dissolved salts of a membrane layer at water Zola’s concoction by SiO2. It is established that in a consequence of formation of a gel layer I decreased by surfaces of ceramic membrane tubes, permeability, and selectivity increased. Thus observed decrease in a ratio between the contents the dissolved salts and silicon dioxide. It provided stability of SiO2 concentrated by Zola. It is shown that Zola’s additive of SiO2 effectively increases durability set speed concrete and the final durability of concrete.
permeability and selectivity of a membrane layer
concrete durability at compression
1. Potapov V. V. Colloidal silicon dioxide in high-temperature hydrothermal solution. Vladivostok: Dalnauka, 2003, 216 p.
2. Sobolev K., Ferrada-Gutierrez M. How Nanotechnology Can Change the Concrete World: Part 1 // American Ceramic Society Bulletin. no. 10. 2005. рр. 14–17.
3. Sobolev K., Ferrada-Gutierrez M. How Nanotechnology Can Change the Concrete World: Part 2 // American Ceramic Society Bulletin. no. 11. 2005. рр. 16–19.
4. Sobolev K., Flores I., Hermesillo K., Torres-Martinez L.M. Nanomaterials and nanotechnology for high-performance cement composites // Proceedings of ASI Session on «Nanotechnology Concrete: Recent Developments and Future Perspectives». November 7. 2006. Denver. USA.
5. Sanchez F., Sobolev K. Nanotechnology in concrete – A review // Construction and Building Materials. no. 24. 2010. рр. 2060–2071.
6. Yang T., Keller B., Magyari E. AFM investigation of cement paste in humid air at different relative humidities // J. Phys. D.: Appl. Phys. 2002. рр. 25–28.
7. Beaudoin J., Raki L., Alizadeh R. A 29Si MAS NMR study of modified C–S–H nanostructures // Cem. Concr. Compos. 2009. V. 31, no. 8. рр. 585–90.
8. Jennings H.M. Refinements to colloid model of C–S–H in cement: CM-II // Cem. Concr. Res. 2008. Vol. 38, no. 3. рр. 275–289.
9. Bordallo H.N., Aldridge L.P., Desmedt A. Water dynamics in hardened ordinary Portland cement paste or concrete: from quasielastic neutron scattering // J. Phys. Chem. 2006. Vol. 110, no. 17. рр. 966–976.

Доля и роль высококачественных бетонов в мировой строительной индустрии стремительно возрастает и сопровождает стремительное развитие архитектурных форм и функционально новых видов сооружений.

Строительная индустрия развивается под знаком возрастающих требований рационального и эффективного использования сырьевых и энергетических ресурсов, а также с учетом достижений в области нанотехнологий и наноматериалов.

Введение нанодобавок обеспечивает максимальную эффективность бетона и существенно повышает результативность используемого вяжущего с точки зрения предотвращения возникновения трещин и увеличения прочности.

Формирование свойств высококачественных бетонов с применением золя SiO2 открывает систему совершенно новых возможностей для перехода строительного материаловедения на принципы создания материалов с заданными свойствами в диапазоне очень высоких значений их параметров. Практический опыт, полученный по применению нанодобавок, дает основания для широкого промышленного использования уже созданных новых нанодобавок (золь, нанопорошки SiO2) в самых разных областях строительной индустрии.

Установка для получения водных золей кремнезема

Для приготовления исходной среды использовали водные растворы силиката натрия с содержанием 200 мл на 1 л воды. Растворы силиката натрия фильтровали через слой ионобменной смолы (катионита марки КУ-2-8), в результате получали золь кремнезема, имеющий плотность ρ = 1012 г/дм3, содержание SiO2 = 25 г/дм3, рН = 9,0, солесодержание TDS = 370 мг/дм3. Золь далее концентрировали на баромембранной установке, включающей керамический микрофильтрационный патрон типа «Аквакон-200» со следующими техническими характеристиками, указанными в табл. 1.

Таблица 1

Технические характеристики фильтра «Аквакон-200»

Параметр

Значение

Длина фильтрующего патрона

270 ± 2 мм

Диаметр фильтрующего патрона

65 мм

Масса

1,03 кг

Количество патронов в установке

1

Материал корпуса

нержавеющая сталь, полипропилен

Схема фильтрации

Тупиковая, нетупиковая (в зависимости от задачи)

Рабочий размер пор

0,07–0,2 мкм

Диаметр пор керамической подложки

3–3,5 мкм

Длина керамических трубок

180 мм

Внешний диаметр керамических трубок

7,5 мм

Толщина стенок керамических трубок

1 мм

Толщина слоя мембранного напыления

0,03–0,05 мкм

Количество керамических трубок

20/патрон

Площадь фильтрующей поверхности

0,0873 м2/патрон

Рабочее давление

0,2–0,5 МПа

Диапазон рабочих температур

5–110 °С

Регенерация

В автоматическом режиме промывка растворами кислот

На рис. 1 представлен общий вид аппарата с керамическими мембранами «Аквакон-200».

На рис. 2 – схема установки для проведения мембранного концентрирования водных золей. Концентрирование выполнено в лабораторных условиях при температуре 20 °С.

Исходная среда подавалась в фильтр из емкости 3 с помощью центробежного насоса 2. Под действием рабочего давления водная среда проходила через пористый керамический элемент 6, образуя при этом фильтрат, который выводился через штуцер фильтрата в емкость для фильтрата 7. Непрошедшая через керамические элементы водная среда (концентрат) выводилась из аппарата через штуцер 1 обратно в емкость 3.

Манометр 5 был установлен на входе перед фильтром и выходе для отвода концентрата и фильтрата, что позволяло измерять перепад давлений в мембранном слое и в корпусе фильтра при различном расходе фильтрата и концентрата. Расходомером 5 измерялся общий расход водной среды, перекачиваемый через установку насосом. Расход фильтрата и концентрата менялся регулирующими кранами. Испытания проводили в режиме рециркуляции концентрата, при этом поток концентрата направляли в исходную емкость 3.

Результаты экспериментов по изучению проницаемости мембранного слоя фильтров на водопроводной воде

Перед экспериментами с золями кремнезема в испытаниях на водопроводной воде были предварительно получены фильтрационные характеристики мембранного слоя: зависимости расхода фильтрата Qf от давления на внешней поверхности мембранного слоя. Падение давления в корпусе фильтра было относительно небольшим: P1 – P2 = 0,01 – 0,04 МПа. Поэтому в качестве значения давления на внешней поверхности мембранного слоя принималось давление ∆P1 на входе в фильтрующий патрон по показаниям манометра, установленного перед входным патрубком фильтра (рис. 2).

Параметры, фиксируемые в ходе эксперимента, указаны в табл. 2.

Расход водной среды Vf (м3/с) через мембранный слой (расход фильтрата) и проницаемость мембраны G при данном перепаде давления DP связаны соотношением

G = Vf /Sm, (*)

где Sm – общая поверхность мембранного слоя в картридже, м2.

pic_1.tif pic_2.tif

Рис. 1. Конструкция керамического мембранного фильтра: 1 – корпус; 2 – трубная решетка; 3 – крышка; 4 – крышка фильтрата; 5 – центральная распределительная труба; 5а – втулка; 6 – гайка; 7 – шайба; 8 – стакан; 9 – штуцер

pic_3.tif

Рис. 2. Схема микрофильтрационной мембранной установки: 1 – шаровый кран; 2 – центробежный насос; 3 – полиэтиленовая емкость с концентратом первой стадии; 4 – расходометр турбинчатого типа; 5 – манометр; 6 – микрофильтрационный мембранный фильтр; 7 – полиэтиленовая емкость с фильтратом

Определена проницаемость мембранного слоя в зависимости от перепада давления и построен график этих зависимостей (рис. 3).

Проницаемость мембранного слоя по водопроводной воде повышалась при увеличении проницаемости мембранного слоя (рис. 3). Зависимость G(ΔP) от ΔP в первом приближении аппроксимировали линейной функцией.

Результаты экспериментов по получению концентрированного золя кремнезема.

Параметры, фиксируемые в ходе эксперимента по концентрированию золя, указаны в табл. 3: Vf – производительность установки по фильтрату, ΔР – давление в установке, TDSк – соленость концентрата, TDSф – соленость фильтрата, ρф – плотность фильтрата, ρк – плотность концентрата, G – проницаемость мембранного слоя фильтра,

φTDS = (φSiO2к – φSiO2ф)/φSiO2к,

φTDS – селективность по солям,

φTDS = (φTDSк – φTDSф)/φTDSк.

Таблица 2

Проницаемость в зависимости от перепада давления на мембранном слое

№ п/п

ΔP, МПа

G, м3/м2∙ч

1

0,00

0,49

2

0,025

1,03

3

0,050

1,28

4

0,075

1,71

5

0,1

2,06

6

0,15

2,57

7

0,2

3,40

8

0,25

5,15

pic_4.tif

Рис. 3. Проницаемость мембранного слоя в зависимости от перепада давления

Таблица 3

Параметры, фиксируемые в ходе эксперимента

№ п/п

t, мин

ΔР, МПа

Vf, л/ч

G, м3/м2∙ч

TDSк, мг/л

TDSф,

мг/л

ρф, г/л

ρк, г/л

(SiO2)k,

г/дм3

φSiO2

φTDS

TDS(k)/[SiO2]k

1

38

0,02

5,76

0,065

734

550

1000

1012

25

0,84

0,25

0,03

2

48

0,1

7,9

0,091

734

555

999

1012

25

0,84

0,24

0,03

3

61

0,2

7,3

0,0831

820

560

995

1015

28

0,84

0,31

0,03

4

88

0,25

6,0

0,0682

838

563

993

1015

28

0,84

0,32

0,03

5

96

0,3

4,0

0,0451

885

526

994

1015

28

0,85

0,40

0,031

6

159

0,25

4,0

0,0451

950

590

999

1015

28

0,85

0,37

0,034

7

228

0,25

4,0

0,0451

1050

616

999

1020

37

0,86

0,41

0,028

8

259

0,25

3,9

0,0446

1110

631

999

1027

47

0,89

0,43

0,024

9

299

0,27

3,8

0,0435

1200

676

999

1030

51

0,91

0,43

0,024

10

340

0,27

3,6

0,0412

1370

677

999

1042

67

0,92

0,50

0,02

11

367

0,27

3,2

0,0366

1390

683

999

1045

70

0,94

0,50

0,019

12

402

0,25

3,2

0,0366

1530

735

999

1050

78

0,94

0,51

0,02

13

430

0,25

3

0,0343

1640

745

999

1052

81

0,95

0,54

0,02

14

457

0,25

2,7

0,0309

1860

776

999

1060

94

0,951

0,58

0,02

15

480

0,25

2,3

0,0263

2040

787

999

1069

114

0,96

0,61

0,018

По окончании эксперимента были получены пробы концентрата и фильтрата, также определены проницаемость и селективность мембран по кремнезему и солям, в зависимости от времени, и построены графики этих зависимостей рис. 4, 5, 6, 7. В результате концентрирования был получен стабильный водный золь, с характеристиками: ρ = 1012 г/дм3, содержание SiO2 = 25 г/дм3, рН = 9,0, солесодержание TDS = 370 мг/дм3.

pic_5.tif

Рис. 4. Проницаемость мембран по диоксиду кремния в зависимости от времени

pic_6.tif

Рис. 5. Селективность мембран по диоксиду кремния в зависимости от времени

pic_7.tif

Рис. 6. Селективность мембран по солям в зависимости от времени

pic_8.tif

Рис. 7. Отношение солей концентрата к содержанию кремнезема в нем от содержания SiO2 в концентрате

Проницаемость мембранного слоя G по золю кремнезема оказалась значительно ниже, чем по водопроводной воде (табл. 2, 3). В ходе концентрирования золя наблюдали образование гелевого слоя на внешней поверхности керамических трубок. Вследствие этого проницаемость мембранного слоя убывала во времени (рис. 4), а селективность по кремнезему увеличивалась (рис. 5). Было отмечено одновременное увеличение селективности по растворенным солям (рис. 6). При этом отношение TDS(k)/[SiO2]k в золе понижалось по мере концентрирования кремнезема, что обеспечивало стабильность полученного концентрата.

Применение золя как добавки в бетон для повышения прочности

Золь кремнезема был испытан в качестве добавки, повышающей прочность бетона пр сжатии. В качестве вяжущего применялся портландцемент ПЦ 500–550 (Б)Д0 тип ЦЕМ-I на основе клинкера с содержанием С3S = 55–58 %, С3А = 8,2–8,5 % и обычными химико-минералогическими показателями качества клинкера в этом ПЦ. В качестве заполнителей использовался щебень диоритовый фракции от 5 до 20 мм по ГОСТ 8267 (насыпная плотность 1300 кг/м3, истинная плотность 2,73 г/см3) и песок кварц-полевошпатовый по ГОСТ 8736 (истинная плотность 2,62 г/см3).

Добавка – пластификатор из серии высокоэффективных по водоредуцирующей способности поликарбоксилатов, торговая марка Sika Visco Crete 5 New (SVC 5New), плотность 1082 г/дм3, содержание сухого вещества 412 мг/г.

Эффективность действия добавки золя определяли по прочности на бетонах с водо-цементным отношением В/Ц = 0,61–0,71 с осадкой стандартного конуса (ОК) = 12–19 см, содержанием SiO2 = 2,0 % от массы цемента и добавки SVC 5New 2,2–2,6 % от массы цемента. Расход материалов составлял (кг/м3): цемент (ПЦ 550) – 345 ± 5, песок кварц-полевошпатовый – 400, песок стандартный кварцевый – 400, щебень фракции 5–20 мм – 1060.

Добавка золя в сочетании с суперпластифицирующей добавкой SVC существенно повышает прочность бетона во все периоды и режимы твердения. Так, при В/Ц = 0,715 приращение прочности при сжатии достигало: 1 сут – + 86 %, 2 сут – + 65 %, 28 сут – + 26 % (рис. 8). При В/Ц = 0,643 при ращение прочности при сжатии достигало: 1 сут – + 128 %, 28 сут – +37 %.

pic_9.wmf

Рис. 8. Прочность бетона при сжатии. В/Ц = 0,715, SiO2 = 2,0 масс. %

Добавка золя в сочетании с суперпластифицирующей добавкой SVC 5New по критериям эффективности соответствует показателям ГОСТ 24211-2008 по двум основным классам:

– ускоритель твердения

– повышающая прочность.

Выводы

1. Показана возможность получения стабильных водных золей кремнезема микрофильтрационным мембранным концентрированием растворов силиката натрия. Образование гелевого слоя на поверхности керамических мембранных трубок приводит к снижению проницаемости и повышению селективности по кремнезему. Отношение TDS/SiO2 в концентрате понижается с увеличением содержания SiO2.

2. Добавка золя SiO2 в сочетании с суперпластификатором приводит к повышению скорости набора прочности бетоном и увеличению прочности в строительном возрасте.

Рецензенты:

Портнягин Н.Н., д.т.н., профессор кафедры теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности, РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, г. Москва;

Пюкке Г.А., д.т.н., профессор, ФГБОУ ВПО «Камчатский государственный технический университет», г. Петропавловск-Камчатский.

Работа поступила в редакцию 27.10.2014.