Труды КНЦ вып.5 (ХИМИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ вып. 5/2015(31))

[ 1 1 ] исследовано взаимодействие магнезиально-железистого шлака с растворами гидроксида натрия в условиях кипячения при высоком отношении твердое - жидкое, равном 1 : 2 , с целью определения состава новообразований. Растворение компонентов магнезиально-железистого шлака в щелочной среде без нагревания ранее не изучалось. Для прогнозирования возможности получения приемлемой геополимерной матрицы из того или иного алюмосиликатного сырья, а также из их композиций целесообразно применять термодинамическое моделирование, позволяющее оценить степень перехода в раствор компонентов в зависимости от состава исходного сырья, концентрации и вида щелочи, продолжительности взаимодействия и других факторов. Целью данной работы является экспериментальное и физико-химическое моделирование взаимодействия магнезиально-железистого шлака, измельченного в воздушной среде и СО 2 в лабораторной шаровой мельнице, с растворами едкого натра при температуре 20-22оС. В экспериментах использовали гранулированный шлак комбината «Печенганикель». По минеральному составу шлаки представляют собой магнезиально-железистое стекло (95-98 мас. %) с включениями кристаллической фазы в виде скелетных кристаллов оливина (2-5 мас. %) и рудных минералов (1-3 мас. %). Химический состав шлаков (мас. %): SiO 2 - 40.88, Al 2 O 3 - 6.90, FeO - 35.40, CaO - 2.65, MgO - 10.71, (Na 2 0+K 2 0 ) - 2.1, S - 0.71, Fe 2 O 3 - следы. Механическую обработку (МО) шлака проводили в лабораторной стальной шаровой мельнице объемом 3 л. В барабан загружали 3600 г шаров диаметром 12 мм и 600 г гранулированного шлака. При измельчении образцов в атмосфере СО 2 барабан мельницы с загрузкой перед экспериментом заполняли углекислым газом из баллона, вытесняя воздух, плотность которого в 1.5 раза меньше плотности СО2. Заполнение барабана углекислым газом повторяли через каждые 6 - 8 ч измельчения. Измерение удельной поверхности производили методами воздухопроницаемости и тепловой десорбции азота. Были приготовлены три образца: «Ш_14_возд» - шлак, измельченный в атмосфере воздуха 14 ч до £уд=330 м2/кг (по воздухопроницаемости); «Ш_43_возд» и «Ш_52_СО2» - шлак, измельченный в атмосфере воздуха и СО 2 до примерно одинаковой удельной поверхности (436 и 426 м2/кг соответственно) в течение 43 и 52 ч. Удельная поверхность этих образцов, измеренная методом тепловой десорбции азота, приведена в табл. 1 . Таблица 1. Результаты экспериментального и термодинамического моделирования взаимодействия магнезиально-железистого шлака с растворами NaOH Образец £уд (тепл. дес. N 2 ), м2/г Степень растворения Si, % Si, мг/л СэАуц Степень растворения Al, % Al, мг/л C ai /S^ экспе­ римент расчет экспе­ римент расчет 2 M NaOH Ш 14 возд 0 . 8 8 1.59 76 80-160 8 6 2.52 23.0 20-30 26 Ш 43 возд 1.69 2.97 142 160-280 84 4.82 44 45-60 26 Ш 52 СО 2 1.45 4 191 160-280 132 5.59 51 45-60 35 5 М NaOH Ш 14 возд 0 . 8 8 4.14 198 - 225 5.04 46.0 - 52 Ш 43 возд 1.69 5.84 279 - 165 7.56 69 - 48 Ш 52 СО 2 1.45 8.79 420 - 290 10.85 99 - 59 10 М NaOH Ш 14 возд 0 . 8 8 5.36 256 260-440 291 6 . 6 8 61.0 60-100 69 Ш 43 возд 1.69 10.98 525 450-700 311 12.16 1 1 1 1 0 0 - 1 2 0 77 Ш 52 СО 2 1.45 14.31 684 600-900 472 15.67 143 85-150 85 Н 2 О Ш 43 возд 1.69 0.971 4.64 3-4 - 0.0811 0.37 0.003-0.03 - Ш 52 СО 2 1.45 0.896 4.28 3-4 - 0.0657 0.3 0.003-0.03 - Для растворения шлака выбрали условия, близкие к использованным в работе [4], где изучали особенности растворения природных минералов в щелочных растворах. Тонкоизмельченный порошок шлака помешали во фторопластовые стаканы, приливали раствор NaOH (2, 5 или 10 М), приготовленный с использованием гидроксида натрия марки «хч» и дистиллированной воды, и перемешивали при комнатной температуре (20-22оС) на магнитной мешалке в течение 5 ч. Соотношение масса шлака (г) : объем раствора NaOH (мл) составляло 1:40. После проведения взаимодействия твердую фазу отделяли фильтрованием, фильтрат анализировали на содержание Si, Al, Ca, Fe, K и Mg методом атомно-эмиссионного анализа с индуктивно-связанной плазмой на приборе OPTIMA 8300. Термодинамическое моделирование взаимодействия шлака с водой, 2 М и 10 М растворами NaOH при 25оС проводили с использованием программного комплекса (ПК) «Селектор» методом минимизации потенциала Гиббса [12]. Алгоритм расчета связан с необратимой эволюцией геохимических систем, где в качестве независимой координаты взята величина ^=-lgv (ѵ - доля прореагировавшего (растворившегося) минерала или минералов, т.е. степень протекания реакции в системе). В первом приближении принято, что магнезиально-железистый шлак 544