Възможности за намаляване Разхода на модификатори и Повишаване на водната ефективност при производство на гипсови строителни плоскости
Изтегляне 154.03 Kb.
|
- Навигация на страницата:
- POSSIBILITIES FOR REDUCING THE CONSUMPTION OF MODIFIERS AND INCREASING OF WATER EFFIENCY IN PRODUCTION OF PLASTERBOARD Theodora Tinkova, Irena Grigorova, Ivan Nishkov
- ABSTRACT
- Системата СаSО 4 –H 2 O
- Производство на гипсови строителни плоскости
- Пластификатори прилагани в производството на гипсови строителни плоскости
- Методи за намаляване разхода на вода и модификатори
- Изследване влиянието на ултразвук
- Изследване влиянието на pH на водата
- Фиг.1. Снимка на електролизно устройство за вода /1 - резервоар за кисела вода; 2 - мембрана от дървесни влакна; 3 - резервоар за алкална вода; 4 - катод; 5 – анод/
- Влияние на температурата на направната вода
| ГОДИШНИК НА МИННО-ГЕОЛОЖКИЯ УНИВЕРСИТЕТ “СВ. ИВАН РИЛСКИ”, Том 56, Св. II, Добив и преработка на минерални суровини, 2013
ANNUAL OF THE UNIVERSITY OF MINING AND GEOLOGY “ST. IVAN RILSKI”, Vol. 56, Part ІI, Mining and Mineral processing, 2013 възможности за намаляване Разхода на модификатори и Повишаване на водната ефективност ПРИ Производство на гипсови строителни плоскости Теодора Тинкова, Ирена Григорова, Иван Нишков Минно-геоложки университет "Св. Иван Рилски", Миннотехнологичен факултет, катедра “Обогатяване и рециклиране на суровини”, e-mail: inishkov@gmail.com Резюме. При производството на строителни плоскости и продукти, чиято основна суровина е гипсът се изразходват значителни количества вода за технологични цели. Намаляването на потреблението ú би облекчило икономическите разходи и би могло да превърне този тип производство в напълно екологична и безотпадна технология. Обект на изследването са безреагентни методи за намаляване на разхода на технологична вода за хидратацията на обезводнен гипс и повишаване на качествените показатели на крайните продукти в производствените условия на гипсови строителни плоскости. Намаляването на химическите модификатори добавяни в състава на гипсовата смес, облекчава икономическите разходи за добавки на предприятията. Изследванията са насочени към изучаване на иновативни и нетрадиционни методи на влияние върху свойствата на водата прилагана в производството, които променят поведението ú при повторен контакт с полухидрата. В резултат се намалява водо-гипсовото отношение и се повишават якостните качеството на крайния продукт. Въз основа на получените резултатите са направени обобщени изводи за възможните подходи за повишаване на водната ефективност и намаляване на количеството на добавяните химически реагенти. POSSIBILITIES FOR REDUCING THE CONSUMPTION OF MODIFIERS AND INCREASING OF WATER EFFIENCY IN PRODUCTION OF PLASTERBOARD Theodora Tinkova, Irena Grigorova, Ivan Nishkov University of Mining and Geology “St. Ivan Rilski”, 1700 Sofia, Faculty of Mines, Department of Mineral Processing and Recycling, Е-mail: inishkov@gmail.com ABSTRACT. Production of boards and products whose main raw material is gypsum consume significant amounts of water for industrial purposes. Therefore reducing the consumption, would ease the economic costs and could make this type of production in a completely green and waste technology. Subject of this study are methods without reagents to reduce the cost of process water for hydration of dehydrated gypsum and quality indicators of finished products in the factory for plasterboard. Reduction of chemical modifiers add to composition of the gypsum mixture relieve economic costs of business for additives. The research is focused on study the innovative methods of influence on the properties of water applied in production that change it's behavior in repeated contact with hemihydrate. This results in reduced water-gypsum ratio and improving the strength quality of the finished product. Based on the results summarized conclusions are made about possible approaches to improve water efficiency and reduce the amount of added chemical reagents. Въведение Съвременните решения за оптимизацията на промишлените производства изискват въвеждането на технологии, които от една страна редуцират консумацията на суровини, а от друга запазват или повишават качествата на крайните продукти. Това не само подобрява икономическата ефективност на отделните предприятия, но и води до запазване целостта, и опазването на околната среда. Производствата, чиято основна суровина е гипсът се отличават със своята екологична политика. Природната минерална форма на гипса е нетоксична и напълно безвредна, а използването на синтетичната форма на CaSO4.2H2O от топлоенергийните централи, значително редуцира отпадъците за депониране. Гипсът е сред индустриалните минерали с най-широко приложение, тъй като лесно променя качествените си характеристики и свойства, в зависимост от количеството на водата в кристалната му структура. Производството на строителни плоскости и продукти, чиято основна суровина е гипсът, изразходват значителни количества вода за технологични цели. Ето защо намаляването на потреблението ú, би облекчило икономическите разходи и би могло да превърне този тип производство в напълно екологична, и безотпадна технология. Причината за високата консумация на вода е специфичното свойство на гипса при подходяща температура и налягане да отдава водата от кристалната си структура. При повторен контакт с вода, той възстановява изгубените количества и придобива висока пластичност. Както беше споменато, освен в природни условия, CaSO4.2H2O се получава и като вторичен продукт от производствата на Топлоелектрическите централи. В системите за контрол на отделяните газове, протича реакция между отделяния SO2 и съдържащия се в скруберите природен калциев карбонат, в резултат, на което се получава прахообразен, мокър продукт наречен РЕА (REA) гипс. Синтетичният РЕА гипс е основна суровина за производството на гипсови строителни плоскости. По състав и свойства този продукт не се отличава от природната минерална форма, ето защо етапите на подготовка на суровината протичат на идентичен принцип. Постигането на подходяща консистенция на гипсовата смес оформяща гипсовото ядро на плоскостта, както и доброто ú залепване с хартиените листове, изисква добавяне на големи количества вода. Тук трябва да се вземе предвид спецификата на суровината използвана в отделните заводи, но все по-голяма част се стремят да оптимизират този производствен аспект. Наред в това, намаляването на използваните химически модификатори редуцира икономическите разходи и подобрява качеството на крайните продукти. Системата СаSО4–H2O Гипсът в природата се открива в минерална форма или като скални включения. Участва в състава на седиментните скали. Сред първичните включения, които се откриват в гипсовите структури са доломити, варовици, а по-рядко кварц и битуми. Част е от групата на сулфатните минерали. Образува плочести кристали и срастъци. Гипсът в природата се открива в различни форми, според чистотата, структурата и цвета на минералите: розетки, плочки, алабастър и селенит. Теоретично в състава на природния гипс се включват 32,56% СаО; 46,51% SO3; 20,93% H2O. Системата СаSО4–H2O е представена от пет метафази детайлно описани от Кnauf, Gerbrϋder и Wirsching, F., (2000). Четири от тях съществуват при стайна температура: калциев сулфат дихидрат; калциев сулфат полухидрат; Анхидрит-III и Анхидрит-II. Петата форма на системата, Анхидрит-I, съществува само при T0=11800C. Високотемпературният анхидрит е нестабилен, поради което само първите четири форми са с индустриална приложимост. Гипсът подаван към заводите за производство на строителни плоскости преминава редица подготвителни операции, преди да бъде включен в процеса на образуване на разтвор на CaSO4.2H2O. Зърнометричната подготовка на изходната суровина протича според типа на материала. Природния гипс преминава през стадий на трошене, а РЕА гипсът се подава директно към смилане и класификация. След достигане на необходимата едрина, материалът преминава през етапите на сушене и калцинация при температура от порядъка Т0=120÷180, чрез директно нагряване с помощта на горелки, или индиректно нагряване с горещ въздух, до получаване на β-полухидратната метафаза. Времето за обработка се влияе от индивидуалните качества на суровината и едрината на зърната. Гипсът, който не е дехидратирал до полухидрат се прибавя повторно в системата за калцинация. В този етап се отделя слабосвързаната капилярна вода разположена в междуслоя на гипсовите кристали. Непосредствено след смесването на калцинирания гипс с вода протича процес на интензивно разтваряне (Ф-ла 1), механизма на реакцията е разгледан от Korte, A.C.J., Brouwers, H.J.H, (2008). Всички йони от кристалната решетка преминават в дисоциирана форма във водния разтвор. 
(1)
Разтварянето на полухидрата протича особено бързо и включва не само свободни Ca2+ и  йони, но и малки количества разтворими комплекси, като CaOH+ и  . След образуване на наситен разтвор по отношение на полухидрата, реакцията протича топохимически и около частиците на неразтворения полухидрат (намиращ се в равновесие с наситения разтвор) се адсорбират водни молекули, които формират тънък хидратен слой. Така в разтвора се образува двухидрат. Тъй като неговата разтворимост е приблизително четири пъти по-ниска, разтворът се пресища по отношение на двухидрата. При 200С разтворимостта на полухидрата е 0,885g-CaSO4/100gH2O, а тази на дихидрата е 0,204g-CaSO4/100gH2O.
След етапа на разтваряне протича хидратация на гипсовите кристали и те възстановяват изгубеното количество вода, в резултат на калцинацията. От 1 kg полухидрат се получава 1,186 kg дихидрат. Това означава, че в дихидрата се съдържа 1 kg полухидрат и 186 g вода. Съвременните производства използват 1 kg полухидрат и 0,6÷1.2 kg вода. От това количество вода, само 0,2 kg се използват за рехидратация. Останалото количество е необходимо да се изпари, за да се осигури желаната здравина на гипсовите тела. Процесът на рехидратация успешено се контролира чрез регулиране на съдържащите се вода и модификатори в приготвената гипсова смес. Производство на гипсови строителни плоскости Гипсовите строителни плоскости са съставени от гипсово ядро, разположено между два картонени листа от рециклирана хартия. Гипсовото ядро се образува след втвърдяването на гипсовата суспензия, съставена от гипс, вода, модификатори и пенообразуватели. Всички добавки се смесват в специално конструиран миксер, след което сместа се разлива по картонен лист разположен върху лентов транспортьор. След свързване на суспензията и картонените листове, се отрязва плоскост с желания размер, която преминава през етап на сушене и опаковане. Модификаторите добавяни в гипсовата суспензия контролират времето на свързване и физико-механичните показатели на продуктите. Пластификатори прилагани в производството на гипсови строителни плоскости За производството на гипсови строителни плоскости се използват редица подобрители, които гарантират добро залепване на гипсовото ядро и хартията, високи якостни показатели на плоскостите, а в някой случаи редуцират общото количество основна суровина. Към гипсовата смес е прието добавянето на пенообразуващ агент. Той осигурява подходящо порозиране на гипсовата суспензия и редуцира теглото на крайните продукти. Образуваната пяна се добавя допълнително към гипсовата смес в миксера. Тя трябва да отговаря на определени специфични изисквания, като плътност, тегло, стабилност, височина на разбухване и време на разпадане. В някой съвременни технологии за редуциране на теглото на продуктите се прилага комбинирането на два пенообразуващи агента. Иновативните гипсови плоскости, предлагани на световния пазар са с изключително ниско тегло, което се постига чрез пенообразувателите. Над 75% от гипсовото ядро е съставено от въздушни пори (Flumiani at al., 2009). Образуваните пори от пеноконцентрата са около 48% и около 27% от вода. За да се постигне добро залепване между гипсовата смес и картона е необходимо да се контролира времето на свързване на гипсовата суспензия. Това се постига чрез добавяне на ускорители и забавители. В случаите, когато времето на свързване е бързо, удължаването му се постига чрез прибавяне на K2SO4 и калиев карбонат. Те увеличават течливостта на гипсовата смес, като изменят структурата на кристалите на полухидрата. Взаимодействието на различните групи пластификатори с гипсовата смес е разгледано от Bellotto, M. & Bozzetto, G. S. (2012). За ускоряване на времето на свързване често се използва фино смлян сух гипс, наричан още BMA, който осигурява центрове на кристализация и наред с нарастването на кристалите протича процес на втвърдяване. В някои случаи, независимо от добрите показатели на времето на свързване, гипсовата смес няма необходимата течливост и не се разлива равномерно върху картонените листове. За постигане на нормена гъстота е необходимо към сместа да се добавят модификатори, които увеличават течливостта. Сред най-често прилаганите втечнители в производството на гипсови плоскости е калциевият полинафталин сулфонат (Ca-NSF). Той не разрушава пяната, не влияе върху формата и размера на кристалите на полухидрата и спомага за по-доброто залепване на гипсовото ядро и хартията. В някои случаи се прилагат модификатори като борна киселина за повишаване на якостни качества на плоскостите, тъй като под действие на собственото си тегло, висока влажност или температура, плоскостите се деформират. Такава функция изпълнява и натриевия триметилфосфат. Употребата на триметилфосфата повлиява положително порьозността на гипсовото ядро и това позволява да се използват по-малки количества пенообразувател. Методи за намаляване разхода на вода и модификатори Намаляването на водопотребността на гипсовата смес с близо 20%, при полухидрат с чистота около 90%, би редуцирало енергията за изсушаване на плоскостите с над 25%. Съвременните методи за намаляване на разхода на вода и подобрители се фокусират върху химични и физични въздействия върху гипса. Водата, прибавяна към полухидрата за образуване на гипсово тесто изпълнява функцията на реактив и едновременно с това среда, в която протича процеса на хидратация. От нейното количество зависи пластичността на тестото. Теоретично рехидратацията на 100 g полухидрата изисква 18,62 ml вода. За анхидрита, теоретичната водопотребност е 100/6,62 за рехидратация до полухидрат и 100/26,47 до дихидрат. Водопотребността в лабораторни и производствени условия на α–полухидрата е от порядъка 100/28 и 100/45, а на β-полухидрата 100/70 и 100/95. Технологията на NuGyp, описана от Blow, C., Bruce, B & Murray, G., (2010), дава възможност за намаляване на водопотребността, когато калцинираният гипс се обработва с водна пара под контролирано налягане, която превръща разтворимия анхидрит отново до полухидрат. Степента на преобразувaне зависи от времето за обработка на суровината. При ниска начална концентрация на анхидрит или продължително време за обработка, процесът на преобразуване може да достигне 100%. Освен това, обработването с пара за няколко секунди или минути е достатъчно за намаляване на повърхностната енергия на кристалите на полухидрата. В процеса на предварително смилане на дихидрата и последващото му калциниране до полухидрат структурата на гипсовите кристали се променя. Повърхността на гипсовите кристали се характеризира с множество пукнатини и неравностни. Те увеличават общата контактна повърхност, като по този начин повишават и потребност от вода в процеса на рехидратация. Прилагането на водна пара за обработка на полухидрата регулира водопотребността. Обикновено, налягането е 2÷5 bar, времето за третиране е 30 sec÷3 min. Температурата на стените на камерата се следи и регулира, за да се избегне образуване на кондензат по повърхността на съда. Максималното работно налягане на камерата е 7 bar. Камерите се инсталират между калциниращата инсталация и буферния резервоар, а броят им се определя от капацитета на завода и максималното време за обработка. Количеството на подаваната в камерата пара се влияе от количеството разтворим ахнидрит. Полухидратът е стабилен след обработка с пара и може да се използва, когато е необходимо, и да се съхранява дълго след третиране. Температурата на гипса трябва да е над 1200С. Повишаването на якостните показатели на гипсовите продукти се постига посредством добавяне на прежелатинизирано нишесте; подобряване на адхезията на гипсoвите кристали и смесване на два типа пенообразуватели с различна стабилност в гипсовата смес. Добавянето на прежелатинизирано нишесте, като свързващ и текстуриращ агент изпълнява функцията на свързващо вещество между гипсовото ядро, и облицовъчния картон. Предварителната обработка на скорбялата с киселина се извършва, за да се разрушат дългите вериги на полимерите и така, нишестето свободно мигрира на граничната повърхност ядро-хартия. В този вид то осигурява известна защита срещу допълнително калциниране на гипсовите кристали в близост до повърхността на гипсовите плоскости по време на процеса на сушене и подобрява залепването между гипсовото ядро, и картона. Най-забележимо е влиянието му върху гипс с ниска чистота. Подобряването на стабилността на гипсовите тела и тяхната устойчивост към провисване, би могла да се постигне, чрез прибавяне на фосфатни соли към гипсовата суспензия. Физико-механичната якост е по-голяма при по-плътна и монолитна сърцевина на гипсовите плоскости. Съвременното строителство и индустрията изискват строителни материали с ниско обемно тегло и добри физико-механични показатели. Съществуват технологии, в които се използват два типа пенообразувател, като по този начин се постига оптимално порозиране на сърцевината и едновременно с това се създава по-голяма контактна повърхност между гипсовите кристали в ядрото. В лабораторни условия подходите за намаляване на количество процесна вода в производството на гипсови плоскости се концентрира върху физични въздействия на направната вода. Влиянието с ултразвук, електролизно устройство и изменение на температурата на направната вода, показват най-добри резултати. Промяната на pH на водата влияе и върху якостните качества на гипсовите тела. Изследване влиянието на ултразвук Ултразвукът се генерира по два начина: чрез електроакустични преобразуватели (преобразуване на електрична енергия в механична), или вибрация с магнитна намотка прикрепена към вибриращ елемент (като никел и тефлон-D); вторият начин е чрез пиезоелектрична технология, при която електричния сигнал се превръща във високочестотна електрична енергия с пиезоелектрични кристали. В резултат на влиянието на ултразвуковите вълни се наблюдава разрушаване на целостта на водната молекула и образуване на радикали (Ho; OHo). 
(2)
където: С - скорост на разпространение на ултразвуковите вълни, [m.s-1]; ρ - плътност на материала, [kg.m-3]; k - коефициент на свиваемост. На Таблица 1 е представен състава на свързващ гипс. Таблица 1. Състав на свързващ гипс 
За проведения експеримент е използвано стандартно устройство за генериране на ултразвук с честота 35Hz. Времето за обработка на пробите е 5 и 8 min. След предварителната обработка на водата, се изследват водо-гипсово отношение, време на свързване (начало/край) и диаметър на гипсовата пита. Получените резултати са представени на Таблица 2. Таблица 2. Резултати от тестовете проведени с направна вода, обработена с ултразвук (честота 35Hz) 
Измерването на тези четири показателя е стандартно за всички продукти на основата на гипс. Изследване влиянието на pH на водата Йонизацията на водата протича в условията на електрично поле, което предизвиква флуктоации на съседни молекули. Под действие на електричното поле се извършва разделяне на йоните на водата и съдържащите се в нея примеси. Те преминават през мембрана и се насочват към съответния електрод. H2O  H+ + ОH-
Фиг.1. Снимка на електролизно устройство за вода /1 - резервоар за кисела вода; 2 - мембрана от дървесни влакна; 3 - резервоар за алкална вода; 4 - катод; 5 – анод/ За изследването е използвано устройство за разделяне на водата на кисела и алкална. Мембраната разположена между двата резервоара не позволява смесване на киселата и основната вода. Обемът на съда за кисела вода е 0,3 l, а обемът на съда за алкална вода е 0,9 l. pH на водата променя съществено показателите на гипсовата смес. Проба 1.1 е приготвена с вода с pH = 9.5, а Проба 2.1 с pH = 2.8. На Таблица 3 са представени получените експериментални резултати. Таблица 3. Резултати от тестовете проведени с вода обработена с електролизно устройство 
За изпитването на якост са изготвени гипсови призми с вода предварително обработена с електролизно устройство.
Blow, C., Bruce, B., Murray, G., Water demand reduction of β-hemihydrate plasters, Global Gypsum Magazine, NuGyp, 2010 Flumiani, М., Bruce, B., Innogyps Inc., T.R. Elliot and R.J. Heck, University of Guelph, CAT Scan of Gypsum Board, 9th Global Gypsum Conference & Exhibition, 2009 Кnauf, Gerbrϋder & Wirsching, F., Gipswerke, Iphofen, Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol. A4, 2000 Korte, A.C.J., Brouwers, H.J.H, Hydration Modeling of Calcium Sulphates, International Conference on Construction and Building Technology, ICCBT 2008 Каталог: sessions sessions -> Изследване чистотата на слънчогледово масло за производство на експлозиви anfo sessions -> Laser “Raman” spectroscopy of anglesite and cubanite from deposit “Chelopech” Dimitar Petrov sessions -> Св иван рилски sessions -> Modeling of sessions -> Управление на риска от природни бедствия sessions -> Oценка на риска от наводнениe в елховското структурно понижение в района на гр. Елхово красимира Кършева sessions -> Гравиметрични системи използвани в република българия и оценка точността на системи igsn-71 и unigrace при точки от гравиметричните и мрежи sessions -> Toxicological assessment of photocatalytically destroyed mixed azo dyes by chlorella vulgaris sessions -> Field spectroscopy measurements of rocks in Earth observations Изтегляне 154.03 Kb. Сподели с приятели:
|
