Modification of diatomite by complex processing

Abstract

This article describes the methods of modification of diatomite by heat treatment. The thermal conductivity of natural and modified diatomites is analyzed. Using the results of differential thermogravimetric analysis, the processes of changing the pore structure of the material under study under the influence of temperature are considered.

Full Text

В современном индустриальном мире широко распространено применение природных материалов. К числу таких материалов относятся и аморфные опаловые породы – диатомиты, трепелы, опоки. Диатомит является сырьем для получения строительных тепло- и звукоизоляционных изделий, относится к природным активным минеральным добавкам для строительных смесей и бетонов. В керамической промышленности диатомит применяют при производстве красок, пластмасс, бумаги; в пищевой и нефтяной промышленностях – для очистки сахарных сиропов, масел и других продуктов. Кроме того, диатомит применяют для изготовления взрывчатых веществ, удаления радиоактивных веществ из воды, а также очистки промышленных сточных и жёстких вод [1].

В большинстве случаев в природных образцах диатомита содержится значительное количество воды, доходящее до 10 %, а также различных примесей, в основном, глинистого и карбонатного типа, а также зёрна кварца, полевые шпаты, глауконит и другие минералы. Основную структуру диатомита составляют опаловые тельца размером от 0,03 до 0,15 мм, которые придают породе легкость и пористость, варьирующуюся от 72 до 92 %. Плотность природных диатомитов колеблется от 0,960 до 1,250 г/см³, и зависит, главным образом, от количества глинистых примесей.

С целью придания природному диатомиту определённых потребительских свойств, его подвергают тепловой обработке, удаляя излишки воды и примеси. Для исследования процессов, происходящих при нагревании природных диатомитов, авторским коллективом проведен термогравиметрический анализ, который позволяет регистрировать изменение массы образцов при их нагревании в зависимости от температуры (TGA), изменение температуры образца в зависимости от температуры (SDTA) и скорость изменения массы в зависимости от температуры или времени нагрева (DTG). Скорость нагрева в интервале температур от 25 до 900 °С составляла 10 °С/мин. Результаты TGA, SDTA и DTG анализа диатомита Атемарского месторождения представлены на рисунке 1.

Рис. 1. TGA-, SDTA- и DTG -кривые образца диатомита Атемарского месторождения.

Кривая TGA показывает, что при нагревании навески диатомита Атемарского месторождения происходит потеря массы тремя ступенями: на первом этапе нагрева, в диапазоне температур 25–230 °С, теряется 2,97 % первоначальной массы образца; второй этап в диапазоне 230–500 °С сопровождается уменьшением массы образца еще на 3,30 %, а на третьем этапе, в интервале 500–900 °С, диатомит дополнительно теряет 2,35 % своей массы. Всего за цикл нагрева масса навески диатомита Атемарского месторождения снижается на 8,87 %. Уменьшение массы при нагреве сопровождается удалением поровой воды частиц дисперсного материала. Широкий максимум (кривая SDTA) в интервале температур 28,5–324,7 °С характеризует указанный эндотермический эффект. Пик эффекта приходится на 83,4 °С, а его ширина достигает 208 °С. Максимум кривой SDTA соответствует наибольшей скорости потери массы образцом, которая наблюдается на первом этапе нагрева.

Кроме того, в интервалах температур 684–730 °С и 794–885 °С наблюдаются два небольших максимума. Они указывают на экзотермические реакции, которыми сопровождаются процессы выгорания остатков органических веществ и структурной перестройки фаз некоторых минералов, составляющих данную осадочную породу.

В низкотемпературной области в два этапа (30–160 и 160–365 ºС) происходит удаление адсорбционной воды и части межслоевой воды глинистого минерала. При 365–505 ºС наблюдается удаление поровой воды, которая содержится в диатомите в силу структурных особенностей его строения, аморфизации и частичной перестройки кристаллической решетки глинистого минерала. При температуре выше 440 ºС происходит выгорание органических веществ, выделяющихся в виде СО₂, придающего растворам темно- бурую окраску. Эффект при температурах 560580 ºС связан с фазовым переходом в диатомите β-кварца в α-кварц, а при 600–750 ºС – с потерями кристаллизационной воды монтмориллонитом. Потери массы при прокаливании навески диатомита при температуре 1000 ºС в инертной (аргоновой) среде составили 11,29 % [2]. Подобные выводы были сделаны и в ряде других работ [3; 4].

Известно, что нанопорошки имеют низкую теплопроводность и могут быть использованы в качестве теплоизоляторов (в том числе в теплоизолирующих панелях зданий и сооружений). Применение природных материалов с собственной высокой пористостью является одним из наиболее эффективных методов получения теплоизоляционных изделий.

После модификации природного диатомита путем термической обработки до 800 ºС была определена теплопроводность полученного нанопорошока. Ввиду того, что эксперимент по определению коэффициента теплопроводности осуществлялся на воздухе, было использовано допущение, что измерения проводились для смеси газов: воздуха и газа, состоящего из тяжелых частиц твердого вещества. Это допущение позволило применить для расчетов основной закон теплопроводности (закон Фурье), согласно которому вектор плотности теплового потока (q), передаваемого теплопроводностью, пропорционален вектору градиента температуры:

q = – λ grad T,

где λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м∙К).

Теплопроводность природного Атемарского диатомита и его модификации определяли на измерителе теплопроводности ИТС-1. Модификация диатомита проводилась методом термической обработки для увеличения прочностных показателей теплоизоляционного материала без ухудшения его теплоизоляционных показателей. Полученные результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1

Теплопроводность Атемарского природного диатомита

№ п/п	Плотность заполнения ячейки ρ, кг/м³	λ Вт/(м∙К)
		Диатомит Атемарский природный	Диатомит модифицированный (Т = 800 ⸰С)
1	200	0,149	0,132
2	220	0,152	0,135
3	240	0,159	0,147
4	260	0,177	0,159
5	280	0,183	0,174
6	300	0,196	0,184
7	320	0,206	0,196
8	340	0,206	0,206
9	360	0,211	0,206

По данным таблицы 1 видно, что при повышении плотности заполнения ячейки, соответственно, возрастает и теплопроводность материала. При термообработке при высокой температуре (Т = 800 ⸰С) наблюдается уменьшение теплопроводности (табл. 1), но происходит спекание. Поэтому температуру обжига уменьшили, но дополнительно использовали СВЧ-излучение. Результаты представлены в таблице 2. Диатомит без предварительного прокаливания имеет коэффициент теплопроводности 0,177 Вт/(м·К) при кажущейся плотности ρ = 260 кг/м³. После прокаливания при 200 ⸰С и 500 ⸰С в муфельной печи в течение 1 часа теплопроводность составила соответственно 0,173 и 0,168 Вт/(м·К) при кажущейся плотности ρ = 250 кг/м³.

Таблица 2

Теплопроводность модифицированного диатомита при плотности заполнения ячейки ρ = 250 кг/м³

Обработка диатомита	λ, Вт/(м∙К)
Прокаливание при 200 ⸰С в муфельной печи в течение 1 часа	0,173
Прокаливание при 200 ⸰С в муфельной печи в течение 1 часа, затем СВЧ-излучение в течение 5 мин	0,168
Прокаливание при 500 ⸰С в муфельной печи в течение 1 часа	0,168
Прокаливание при 500 ⸰С в муфельной печи в течение 1 часа, затем СВЧ-излучение в течение 5 мин	0,163

После обработки СВЧ-излучением в течение 5 минут прокаленного порошка при 200 ⸰С и 500 ⸰С коэффициент теплопроводности составил 0,168 и 0,163 Вт/(м·К). По результатам проведенных исследований установлено, что дополнительное воздействие СВЧ-излучения (2,4 ГГц) в течение 5 минут после термической обработки как при 200 ⸰С, так и 500 ⸰С, способствует дополнительному удалению адсорбированной воды, увеличению пористости модифицированного диатомита, что ведет к уменьшению теплопроводности дисперсной системы. Полученные таким методом порошки из природного диатомита с более низким коэффициентом теплопроводности можно использовать для получения эффективных теплоизоляционных материалов.