Сетевое издание

Современные проблемы науки и образования

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Михайлова О.А. 1 Роговенко Е.С. 1 Фоменко Е.В. 1

---

1 Институт химии и химической технологии СО РАН

Из концентратов ценосфер от сжигания кузнецкого и экибастузского угля получены узкие фракции немагнитных неперфорированных ценосфер с низкой насыпной плотностью в интервале 0.26-0.37 г/см3 определенного химического и фазового состава с узким распределением глобул по размеру, толщине и пористости оболочки. Установлена взаимосвязь состава и строения оболочки глобул. Для узких фракций ценосфер кузнецкого угля с ростом содержания Al2O3 уменьшается средний диаметр частиц и толщина их оболочки, при этом наблюдается увеличение количество сфер со сплошной оболочкой и гладкой поверхностью. Для узких фракций ценосфер экибастузского угля установлена обратная зависимость: по мере роста содержания Al2O3 размер частиц, толщина и пористость их оболочки увеличивается, появляются пенистые глобулы сетчатого строения.

Статья в формате PDF

4310 KB

низкая насыпная плотность

узкая фракция

ценосферы

1. Аншиц А.Г. Скорость детонации эмульсионных взрывчатых веществ с ценосферами / А.Г. Аншиц, Н.Н. Аншиц, А.А. Дерибас и др. // Физика горения и взрыва. – 2005. – Т.41, №5. – С. 119-127.

2. Верещагин С.Н., Куртеева Л.И., Аншиц А.Г. Содержание частиц различного размера и плотности в концентратах ценосфер летучих зол от сжигания углей Кузнецкого бассейна // Химия в интересах устойчивого развития. – 2008. – Т.16, №5. – С. 529-536

3. Фоменко Е.В. Гелиевая проницаемость микросферических мембран на основе муллитизированных ценосфер / Е.В. Фоменко, Н.Н. Аншиц, М.В. Панкова и др. // Доклады Академии наук. – 2010. – Т. 435, №5. – C. 640-642.

4. Фоменко Е.В. Нанесенные рН-чувствительные спиновые зонды на основе перфорированных ценосфер / Е.В. Фоменко, А.А. Бобко, А.Н. Саланов и др. // Известия Академии наук. Серия химическая. – 2008. - № 3. – C. 482-487.

5. Anshits, N. N. Chemical composition and structure of the shell of fly ash non-perforated cenospheres produced from the combustion of the Kuznetsk coal (Russia) / N.N. Anshits, O.A. Mikhailova, A.N. Salanov, et al. //Fuel. – 2010. – Vol. 89. – P. 1849-1862.

6. Anshits N.N. Composition, morphology, properties of coal fly ash microspheres and their application for conditioning liquid radioactive waste / N.N. Anshits, A.N. Salanov, T.A. Vereshchagina, et al. // Int. J. Nuclear Eng. Sci. Technol. – 2006. – Vol.2, №1/2. – P. 8-24.

7. Fomenko E.V. Compositions and morphology of fly ash cenospheres produced from the combustion of Kuznetsk coal / E.V. Fomenko, N.N. Anshits, L.A. Solovyov, et al. // Energy Fuels. – 2013. – V. 27. - N. 9. – P. 5440-5448.

8. Rohatgi P.K. Compressive characteristics of A356/fly ash cenosphere composites synthesized by pressure infiltration technique / P.K. Rohatgi, J.K. Kim, N. Gupta, et al. // Composites Part A. – 2006. – Vol. 37. – P. 430-437

9. Tranter T.J., Vereshchagina T.A., Utgikar V. An inorganic microsphere composite for the selective removal of 137 cesium from acidic nuclear waste solutions. 1: Equilibrium capacity and kinetic properties of the sorbent // Solvent. Extr. Ion Exch. – 2009. – Vol.27, №2. – P. 199-218.

10. Vereshchagina T.A. One-step fabrication of hollow aluminosilicate microspheres with a composite zeolite/glass crystalline shell by direct conversion of coal fly ash cenospheres / T.A. Vereshchagina, S.N. Vereshchagin, N.N. Shishkina, et al. // Microporous Mesoporous Mater. – 2013. – Vol. 169. – P. 207-211.

Целью работы являлось получение узких фракций немагнитных неперфорированных ценосфер низкой насыпной плотности и их характеристика комплексом физико-химических методов, включающих методы оптической микроскопии, химического и рентгенофазового анализа.

Материалы и методы

В качестве сырья для получения узких фракций немагнитных неперфорированных ценосфер низкой насыпной плотности использовали концентраты ценосфер летучих зол от пылевидного сжигания каменного кузнецкого угля и каменного экибастузского угля, для которых значения насыпной плотности составляли 0.36 и 0.43 г/см³, соответственно. Оптические снимки концентратов ценосфер, наглядно демонстрирующие их неоднородность, представлены на рисунке 1.

Рис. 1. Оптические снимки (отраженный свет) концентратов ценосфер: А - от сжигания кузнецкого угля, Б - от сжигания экибастузского угля

Получение узких фракций ценосфер из концентрата ценосфер от сжигания каменного кузнецкого угля осуществляли следующим образом: на первой стадии концентрат подвергали «сухой» магнитной сепарации с использованием электромагнитного сепаратора марки 138Т (ТУ 24-8-1054-77) при напряженности магнитного поля 10.55 Кэ. Из полученной немагнитной составляющей методом гранулометрической классификации с помощью вибрационной установки ВП-С/220 на стандартных ситах с размерами ячейки 0.1 и 0.08 мм выделяли узкую фракцию, которую затем подвергали дополнительному аэродинамическому разделению по плотности в восходящем потоке воздуха. Аэродинамическое разделение проводили по методике [2], основанной на уносе частиц определенной плотности и размера движущимся с заданной скоростью потоком воздуха.

В случае получения узких фракций ценосфер из концентрата ценосфер от сжигания каменного экибастузского угля на первой стадии использовали магнитную сепарацию при напряженности магнитного поля 10.55 Кэ. Из полученного немагнитного продукта разделением по плотности в гексане выделяли составляющую с пониженной насыпной плотностью 0.38 г/см³, которую затем подвергали гранулометрическому разделению на фракции размером -0.25+0.2, -0.2+0.16, -0.16+0.125, -0.125+0.1, -0.1+0.08, -0.08+0.071, -0.071+0.063, -0.063+0.05 мм. Для отделения перфорированных глобул, а также осколков, образующихся на стадиях магнитной и гранулометрической сепарации, полученные узкие фракции немагнитных ценосфер кузнецкого и экибастузского угля подвергали дополнительному гидростатическому разделению после предварительного вакуумирования.

Для каждой узкой фракции ценосфер были определены насыпная плотность, распределение частиц по размеру, средний диаметр глобул и толщина их оболочки, химический и фазовый составы, а также содержание глобул определенного морфологического типа. Эти параметры представляют собой определенные критерии применимости узких фракций ценосфер в качестве основы функциональных материалов для конкретных приложений. Подробные методики определения этих параметров, включая контроль чистоты выделенных фракций, приведены в работе [7].

Обсуждение результатов

Из концентрата ценосфер от сжигания каменного кузнецкого угля были получены фракции немагнитных неперфорированных ценосфер с насыпной плотностью 0.26-0.36 г/см³ с узким распределением глобул по размеру (рис. 2) со средним диаметром 90-93 мкм. Толщина оболочки полученных узких фракций ценосфер растет от 2.8 до 4.2 мкм и сопровождается увеличением ее пористости (табл. 1). Из концентрата ценосфер от сжигания каменного экибастузского угля были получены фракции неперфорированных ценосфер с насыпной плотностью в интервале 0.34-0.37 г/см³ с узким распределением глобул по размеру (рис. 2) со средним диаметром в интервале 60-225 мкм. Толщина оболочки полученных ценосфер изменяется от 2.8 до 9.8 мкм. С ростом среднего диаметра глобул и увеличением толщины их оболочки пористость оболочки ценосфер увеличивается (табл. 1), появляются пенистые глобулы сетчатого строения.

Рис. 2. Распределения частиц по размерам в узких фракциях ценосфер низкой плотности: кузнецкого угля (А) HM-M-5A -0.1+0.08 (0.260) и (Б) HM-M-5A -0.1+0.08 (0.361), экибастузского угля (В) HM-R-5A vg -0.063+0.05 (0.37) и (Г) HM-R-5A vg -0.25+0.2 (0.35)

Исследования химического, фазового состава и строения оболочки полученных узких фракций показали, что по химическому составу выделенные фракции ценосфер представляют собой многокомпонентную систему SiO₂-Al₂O₃-Fe₂O₃-CaO-MgO-Na₂O-K₂O-SO₃-MnO-P₂O₅ (табл. 2). Содержание основных макрокомпонентов для узких фракций концентрата ценосфер от сжигания кузнецкого угля составляет: Al₂O₃ от 27.77 до 30.85 и SiO₂ от 62.58 до 64.12 мас. %; для узких фракций концентрата ценосфер от сжигания экибастузского угля: Al₂O₃ от 34.65 до 38.42 и SiO₂ от 57.24 до 60.80 мас. %. Для всех полученных фракций характерно стабильно низкое содержание Fe₂O₃ от 1 до 2 мас. % и практически постоянное содержание оксидов щелочных и щелочноземельных металлов. Установлено, что алюмосиликатные компоненты состава узких фракций ценосфер связаны общими уравнениями регрессии [SiO₂]=78.4-0.5×[Al₂O₃] с коэффициентом корреляции -0.97 и [SiO₂]/[Al₂O₃]=4.27-0.1×[Al₂O₃] с коэффициентом корреляции -0.99. Фазовый состав (табл. 3) выделенных узких фракций ценосфер кузнецкого угля включает 84-90 мас. % стеклофазы и кристаллические фазы: муллит в количестве 8-14 мас. %, кварц - 2-2.3 мас. %, а также фазу кальцита, присутствующую в виде примесей на уровне 0.3-0.5 мас. %. По сравнению с ними узкие фракции концентрата ценосфер экибастузского угля характеризуются меньшими значениями содержания стеклофазы - 56-69 мас. %, бóльшими значениями содержания фазы муллита - 30-42 мас. % и меньшими значениями содержания фазы кварца - 1-1.5 мас. %; фаза кальцита присутствует на уровне 0.1-0.4 мас. %. Установлено, что с увеличением содержания Al₂O₃ содержание фазы муллита в узких фракциях обоих сырьевых источников монотонно увеличивается (табл. 2, 3).

Таблица 1

Физические характеристики узких фракций ценосфер и содержание в них глобул определенного морфологического типа.

Изучение взаимосвязи химического состава и морфологии глобул показало, что для узких фракций ценосфер кузнецкого угля увеличение доли Al₂O₃ сопровождается уменьшением среднего диаметра и толщины оболочки, тогда как для узких фракций ценосфер экибастузского угля установлена обратная зависимость: с ростом содержания Al₂O₃ средний диаметр частиц и толщина их оболочки увеличивается (табл. 1, 2). С использованием оптической микроскопии в полученных узких фракциях идентифицированы основные морфологические типы ценосфер и определено их содержание (табл. 1).

Таблица 2

Химический состав узких фракций ценосфер

Таблица 3

Фазовый состав узких фракций ценосфер

*Авторы выражают благодарность Л.А. Соловьеву за проведение количественного рентгенофазового анализа узких фракций ценосфер

В узких фракциях ценосфер кузнецкого угля количество сфер со сплошной оболочкой и гладкой поверхностью увеличивается с ростом содержания Al₂O₃ (рис.3 А-Г). В узких фракциях ценосфер экибастузского угля (рис.3 Д-З) с ростом содержания Al₂O₃ наблюдается увеличение количества частиц с пористой оболочкой (табл. 1, 2), появляются пенистые глобулы.

Рис.3. Оптические снимки (проходящий свет) узких фракций ценосфер: А-Г кузнецкого угля (НМ-М-5А -0.1+0.08), Д-З экибастузского угля (HM-R-5A vg).

Заключение

Таким образом, из концентратов ценосфер летучих зол от сжигания разных типов углей выделены и охарактеризованы фракции немагнитных неперфорированных ценосфер низкой насыпной плотности с узким распределением глобул по размеру, толщине и пористости стеклокристаллической оболочки. В узких фракциях ценосфер экибастузских углей обнаружены пенистые глобулы сетчатого строения, доля которых растет с ростом диаметра частиц и содержания Al₂O₃. В узких фракциях ценосфер кузнецких углей глобул сетчатого строения не обнаружено.

Для узких фракций ценосфер кузнецкого угля с ростом содержания Al₂O₃ уменьшается средний диаметр частиц и толщина их оболочки, при этом наблюдается увеличение количества сфер со сплошной оболочкой и гладкой поверхностью. Для узких фракций ценосфер экибастузского угля установлена обратная зависимость: с ростом содержания Al₂O₃ средний диаметр глобул и толщина их оболочки увеличивается, также растет доля частиц с пористой оболочкой.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант №14-03-31471).

Рецензенты:

Белоусова Н.В., д.х.н., профессор, заведующий кафедрой Металлургии цветных металлов Сибирского федерального университета, г. Красноярск;

Брагин В.И., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой Обогащения полезных ископаемых Сибирского федерального университета, г. Красноярск.

Библиографическая ссылка