СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СЫРЬЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕХНОГЕННОГО АНГИДРИТОВОГО ВЯЖУЩЕГО

Название	СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СЫРЬЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕХНОГЕННОГО АНГИДРИТОВОГО ВЯЖУЩЕГО
Разработчик (Авторы)	Федорчук Ю.М.
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2806076
Дата регистрации	25.10.2023
Правообладатель	Федорчук Ю.М.
Область применения (класс МПК)	C04B 11/05 (2006.01)
Медаль имени А.Нобеля

Описание изобретения

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области строительства и может найти применение при производстве строительных материалов.

Уровень техники

Известен способ получения сульфата кальция (патент RU 2445267 опубл. 20.03.2012)., в соответствии с которым проводят разложение известняка серной кислотой. При указанном способе разложение осуществляют серной кислотой концентрацией 60-98% при температуре 80-100°С при поддержании в ней содержания твердых веществ 25-40% и серной кислоты в жидкой фазе пульпы 25-50% с кристаллизацией ангидрита сульфата кальция. Полученный сульфат кальция отделяют фильтрацией и промывкой до достижения в нем остаточного содержания серной кислоты, равного 0,05-1,0%. Промывные растворы рециркулируют на стадию разложения известняка в количестве, необходимом для поддержания заданных содержаний твердых веществ в пульпе и серной кислоты в жидкой фазе пульпы.

Недостатком способа является необходимость проведения промывки полученного сульфата кальция, т.к. воздействие промывной жидкости на полученный материал способствует переходу сульфата кальция в дигидрат сульфата кальция, образуя таким образом конечный продукт схватывания вяжущего.

Известен способ получения гипсовых вяжущих (патент RU 2351557 опубл. 10.04.2009), в том числе ангидрита, методом обработки сырья (карбонат или оксид кальция) серной кислотой с последующей дегидратацией полученного материала при нормальном давлении и температуре 120-140°С, или 400-500°С, или 800-900°С, или в автоклаве при давлении 1,3 атм, с последующим измельчением полученного продукта до остатка на сите 02 не более 12%. Способ включает в себя: предварительное смешивание сырья с сульфатом магния при соблюдении соотношения компонентов (500-1000):1, соответственно, последующую обработку путем перемешивания с серной кислотой при соотношении 1:1, распыление на реагирующую смесь нагретой до температуры 70-80°С воды в количестве 3-5% от массы смеси, выдержку до комнатной температуры и последующую нейтрализацию полученного продукта оксидом магния. Измельчение осуществляют в присутствии добавки, взятой в количестве 1% нейтрализованного продукта и содержащей, мас. %: суперпластификатор С-3 38-40, гидрофобизатор «Софексил» 48-60, щелочной сток производства капролактама 0,8-2,0, пеногаситель «Норка» 0,01-0,05, вода - остальное.

Описанный способ позволяет получить только гипсовое вяжущее, обладающее недостаточно высокой прочностью.

В качестве ближайшего аналога выбран способ получения активного ангидрита (патент RU 2297989 опубл. 27.04.2007), который основан на обработке гипсосодержащего сырья серной кислотой с последующей нейтрализацией кальцийсодержащим материалом. Для осуществления данного способа используют серную кислоту концентрацией 98%, а соотношение гипсосодержащее сырье: кислота составляет (5-20):1 вес. ч., при этом нейтрализацию проводят до достижения рН не менее 7. В качестве нейтрализаторов используют СаО или Са(ОН)2, или СаСО3, или CaSiO3.

Недостатком представленного аналога является то, что при температуре осуществления указанного способа ниже 100°С в процессе нейтрализации будут образованы два продукта - сульфат кальция безводный (ангидрит) и полугидрат сульфата кальция, имеющие различную кинетику схватывания, что приводит к уменьшению общей прочности строительного изделия, изготовленного из полученного сырья.

Раскрытие сущности изобретения

Техническая задача направлена на создание способа изготовления сырья для получения техногенного высокопрочного (применительно к ангидриту) ангидритового вяжущего, применение которого уменьшает использование природного сырья и снижает экологически вредное воздействие на окружающую среду.

Технический результат заключается в получении сырья с увеличенным сроком хранения, позволяющего изготавливать высокопрочный вяжущий материал.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе изготовления сырья для получения техногенного ангидритового вяжущего, включающего смешение кальцита с серной кислотой, согласно предложенному решению серную кислоту концентрацией не менее 50 мас. % нагревают до температуры 100-320°С и перемешивают с измельченным до размера частиц от 0,5 мкм до 55,0 мкм кальцитом, поддерживая температуру процесса в указанном выше интервале, до образования гранулообразного материала, при этом соотношение весовых долей серной кислоты и кальцита составляет 1:(1,3-1,5),

Осуществление изобретения

Способ осуществляют следующим образом: исходное сырье - кальцит, измельчают до размера частиц 0,5 мкм - 55,0 мкм в механическом измельчителе. В реакторе-смесителе серную кислоту концентрацией не менее 50 мас. %, полученную из отходящих серосодержащих газов металлургических производств, нагревают до температуры 100-320°С и смешивают с измельченным кальцитом, поддерживая температуру процесса в пределах 100-320°С Реакционную массу тщательно перемешивают до образования гранулообразного материала, при этом рН водной вытяжки изготовленного сырья для получения техногенного ангидритового вяжущего составляет не менее 4,4.

При температуре ниже 100°С в результате взаимодействия серной кислоты с кальцитом образуются два продукта: ангидрит - сульфат кальция безводный, и полугидрат сульфата кальция - гипсовое вяжущее, имеющие различную кинетику схватывания, что приводит к снижению прочности изделий, изготовленных из полученного материала. При температуре выше 320°С водорастворимая β-форма сульфата кальция перекристаллизуется в водонерастворимую γ-форму, которая при контакте с водой не образует кристаллогидрат, т.е. не обладает вяжущими свойствами.

Соотношение весовых долей при смешивании серной кислоты и кальцита составляет 1: (1,3-1,5), соответственно.

Увеличение содержания серной кислоты в смеси приводит к понижению рН строительных растворов ниже 4,4, предотвращая тем самым образование кристаллогидрата кальция, а избыток кальцита приводит к разбавлению инертом вяжущего материала, тем самым понижая марочность (прочность) вяжущего.

Примеры осуществления изобретения

Пример 1

Навеску серной кислоты марки «х.ч.» (химически чистая) концентрацией 93 мас. % в количестве 74 г нагревают до температуры 155°С в вертикальном стакане-реакторе, высыпают 97 г кальцита, измельченного до размера частиц 15 мкм (для осуществления данного способа использовали кальцит месторождения Камень, Томской области), поддерживая температуру процесса в пределах 100-320°С, тщательно перемешивают реакционную массу. Через 6 минут перемешивания водная вытяжка реакционной массы, представляющая собой твердый гранулообразный сыпучий материал - техногенный ангидрит, показала значение рН=5,5. Результаты рентгенофазового анализа показали, что в твердом новообразовании присутствуют карбонат кальция и сульфат кальция безводный - ангидрит, полуводного и двуводного сульфата кальция не обнаружено.

В навеску нового техногенного ангидрита в количестве 300 г добавили кристаллический ускоритель схватывания - сульфат натрия марки «х.ч.» в количестве 4,5 г и в стакане-смесителе затворили твердые компоненты водой в количестве 100 мл, после тщательного перемешивания вышеуказанной массы ею заполнили формочки кубовой формы размерами (4×4×4) см. Через 28 суток полученные кубики подвергали испытанию на сжатие. Предел прочности составил значение 8,5 МПа.

Пример 2

Навеску серной кислоты марки «х.ч.» концентрацией 93 мас. % в количестве 100 г нагревают до температуры 200°С в вертикальном стакане-реакторе, высыпают 150 г кальцита, измельченного до размера частиц 55 мкм (для осуществления данного способа применяли кальцит месторождения Скальный, г. Норильск), поддерживая температуру процесса в пределах 100-320°С, тщательно перемешивают реакционную массу. Через 8 минут перемешивания водная вытяжка реакционной массы, представляющая собой твердый гранулообразный сыпучий материал -техногенный ангидрит, показала значение рН=4,7. Результаты рентгенофазового анализа показали, что в твердом новообразовании присутствуют карбонат кальция и сульфат кальция безводный - ангидрит, полуводного и двуводного сульфата кальция не обнаружено.

По методике, приведенной в примере 2, были получены кубики и испытаны на предел прочности сжатию. Прочность кубиков, полученных с использованием кальцита г. Норильска, составила 7,5 МПа.

Также были проведены испытания для различных температурных режимов, концентрация серной кислоты составляла 93 мас. % Экспериментальные данные приведены в таблице.

Дополнительные эксперименты с использованием серной кислоты различной концентрации показали аналогичную зависимость предела прочности при сжатии от указанных в таблице температур.

Заявленная взаимосвязь существенных признаков позволяет достичь технического результата.

Предложенный способ позволяет получить сырье для техногенного ангидритового вяжущего, которое является безводным сульфатом кальция, обладающее вяжущими свойствами, и после получения из него техногенного ангидритового вяжущего за счет введения в смесь ускорителей схватывания (водорастворимые соли одновалентных металлов) может быть применено в качестве вяжущего вещества, заменяющего гипсовое и цементное вяжущее в строительных материалах и изделиях.

Вяжущие свойства сырья, полученного по предлагаемому способу, не меняются при его достаточно долгом хранении в герметично закрытой таре.

Формула изобретения

Способ изготовления сырья для получения техногенного ангидритового вяжущего, включающий смешение кальцита с серной кислотой, отличающийся тем, что серную кислоту концентрацией не менее 50 мас.% нагревают до температуры 100-320°С и перемешивают с измельченным до размера частиц от 0,5 мкм до 55 мкм кальцитом, поддерживая температуру процесса в указанном выше интервале, до образования гранулообразного материала, при этом соотношение весовых долей серной кислоты и кальцита составляет 1:(1,3-1,5).

Изобретение "СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СЫРЬЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕХНОГЕННОГО АНГИДРИТОВОГО ВЯЖУЩЕГО" (Федорчук Ю.М.) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога