ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ДЕФЕКАТА КАК ПЕРСПЕКТИВНОГО ВТОРИЧНОГО СЫРЬЯ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ХИМИКАТОВ

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются физико-химические свойства дефеката- основного крупнотоннажного отхода промышленного производства сахара. Приведены способы механической и термической активации дефеката, приводящих к получению продукта «дефекат – сажа», обладающего хорошими адсорбционными свойствами. Установлены оптимальные условия механо- и термообработки дефеката: термическую обработку следует проводить при температуре 700^оС в течение 120 минут для дефеката с размерами частиц 0,4- 1,0 мм. Методами ИК-спектроскопии показаны изменения, происходящие с дефекатом при его прямом обжиге и обжиге в присутствии гипохлорита натрия. Полученные данные экспериментальных исследований служат основанием для разработки технологических рекомендаций по солянокислотному разложению дефеката с целью получения хлорида и хлората кальция.

ABSTRACT

The article discusses the physical and chemical properties of defecation, the main large-scale waste of industrial sugar production. The methods of mechanical and thermal activation of defecation are given, leading to the production of the product "defecation - soot", which has good adsorption properties. The optimal conditions for mechanical and heat treatment of defecation have been established: heat treatment should be carried out at a temperature of 700 ° C for 120 minutes for defecation with a particle size of 0.4 - 1.0 mm. IR spectroscopy methods show the changes that occur with the defecation during its direct firing and firing in the presence of sodium hypochlorite. The data obtained from experimental studies serve as the basis for the development of technological recommendations for the hydrochloric acid decomposition of defecation in order to obtain calcium chloride and chlorate.

Ключевые слова: известковые отходы, сахарное производство, дефекат, термическая обработка, сорбционная активность, ИК-спектр, карбонаты, сульфаты, органические вещества, хлорид кальция, хлорат, дефолиант.

Keywords: lime waste, sugar production, defecate, heat treatment, sorption activity, IR spectrum, carbonates, sulfates, organic substances, calcium chloride, chlorate, defoliant.

Введение

Использование известковых отходов сахарного производства в получении минеральных вяжущих веществ и других строительных материалов открывает широкую перспективу расширения номенклатуры последних [1,2]

При производстве сахара в процессе дефекации образуется в значитель-ных количествах осадок (дефекат), являющийся крупнотоннажным отходом с непостоянным составом. Поэтому важно установить, по возможности, полный элементный состав этого осадка, в частности, определить в нем содержание токсических элементов, представляющих экологическую угрозу. С другой стороны, дефекат, обычно, содержит более 50% карбоната кальция, что позволяет использовать его в качестве исходного сырья для получения строительных и вяжущих материалов [3-5], химических удобре-ний, кормовых добавок и кальцийсодержащих присадок в металлургии.

В основном, дефекат, в зависимости от применяемого сырья и технологии получения сахара, имеет следующий состав: известь - 60-70%; органические вещества – 10-15%; азот – 0,2- 0,7%; фосфорная кислота-0,2-0,9%; калий - 0,5-1,0%, незначительное количество серы, магния и микроэлементов, при влажности 25 – 30%. [6,7].

Образующиеся в процессе производства сахарной свеклы крупнотоннажные отходы стали серьезной экологической проблемой многих стран. На сегодняшний день только небольшая часть дефеката используется для минерализации почв, большая же часть направляется в отвалы [8-14].

Эта же участь постигает и дефекат одного из флагманов сахарной промышленности Узбекистана АО «Хорезмшакар», в то время как такие отходы могут рассматриваться как вторичное сырье, позволяющее не только получать дополнительную выгоду, но и в значительной степени улучшить экологическую обстановку [15].

Цель настоящего исследования заключается в определении химического состава и физических свойств дефеката, подвергнутого термической обработке, с привлечением ИК-спектрографических методов анализа, что позволит разработать рекомендации для технологии получения хлорида-, хлората кальция на основе термообработанного дефеката.

Экспериментальная часть

В работе использованы отходы сахарного производства, в частности, кальцийсодержащий дефекат АО «Хоезмшакар». Основываясь на результатах ранее проведенных нами исследований [9-11], была применена методика термической обработки дефеката при 600 – 700⁰С, и использование термолизного дефеката в качестве сорбента для очистки сточных вод молочных комбинатов от жиров и сернокислотных стоков от некоторых ионов тяжелых металлов.

ИК-спектроскопические исследования образцов нативного и термообратонного дефеката осуществляли на приборе ИК- Фурье-спектрометре IRTracer-100 SHIMADZU (Япония), (диапазон 400-4000 см^-1, 4 см^-1) в таблетке KBr).

Подготовка образцов дефеката заключалась в следующем: определенную массу дефеката измельчали в механической ступке RM200 и просеивали на вибрационной машине АС-200 BASIC на ситах № 0,05; 0,4; 0,8; 3,0 мм. Далее полученные образцы подвергали термической обработке в лабораторной муфельной печи марки FX-14 NEW с выдержкой 30, 60 и 120 минут при 700^оС. Полученные образцы дефеката подвергали дальнейшим исследованиям.

Результаты и обсуждение

Дефекат-представляет собой порошок кремового цвета, жирный на ощупь, с водой легко увлажняется, образуя при этом эластичную массу [8].

В зависимости от используемого сырья – тростниковый сахар, или другое сахаросодержащее сырье, дефекат может иметь различный химический состав и физико-химические свойства. Так, определение вещественного состава дефеката АО «Хоразмшакар» показывает, что в нем присутствует следующие ингредиенты, %: сахар- 1,60-2,10; пектиновые вещества-1,40-1,65; углекислый кальций- 74,25-80,00; азотистые органические вещества-5,90-6,01; безазотистые органические вещества-8,04-9,50; известь в виде солей разных кислот-2,80-3,10; прочие минеральные вещества-2,78-3,91 [8].

В таблице 1 и 2 приводятся усредненные значения физических параметров и химического состава дефеката АО «Хорезмшакар».

Таблица 1.

Физические свойства дефеката

Таблица 2.

Химический состав дефеката АО «Харезмшакар»

При этом, как показали наши исследования, сырой или высушенный дефекат обладает низким влагопоглощением. Для повышения сорбционной активности дефеката нами проведены механическая и термическая активации. Механическая активация проводилась в высокоскоростном дезинтеграторе со скоростью вращения 3000 об/мин. После механоактивации гранулометрический состав частиц составляет 0,05-0,1 мм.

Термоактивация проводилась в диапазоне температур 400-700^оС с шагом 50^оС. Термоактивация при 600- 700ºС, приводит к сгоранию адсорбированных на поверхности органических веществ и образование продукта (СаСО₃+С_сажа), обладающего хорошими адсорбционными свойствами по отношению к жирам и другим веществам – ионам тяжелых металлов Pb⁼², Fe⁺³, Sb⁺⁵ с образованием трудно нерастворимых осадков[9-11].

В ходе эксперимента установлена более высокая сорбционная активность воды для дефеката, термоактивированного при температурах 600-700^оС

Эксперименты проводили следующим образом. Вначале в определенное количество дефеката тщательно перемешивали на лабораторной механической ступке RM200 и просеивающей вибрационной машине АС-200 BASIC на ситах № 0,05; 0,4; 0,8; 3,0 мм. Далее полученные образцы подвергали термической обработке в лабораторной муфельной печи марки FX-14 NEW с выдержкой 30, 60 и 120 минут при 700⁰С. Затем термообработанные образцы подвергали химическому анализу, результаты которых приведены в таблице 3.

Таблица 3.

Результаты обжига дефеката при 700^оС в зависимости от времени^*

* В столбцах приводится массовая доля потерянной двуокиси углерода при обжиге.

Из таблицы 3. следует, что при обжиге дефекат (700^оС) в течение 30 минут количество выделенного СО₂ из помола, полученного после просеивания на ситах (№0,05; 0,4; мм) составляет 25,67%; при 60 минутой выдержке - 28,89%, а при 120 минутах этот показатель составляет 31,46%. При обжиге просеянного дефеката на ситах (№ 0,4-0,8мм) количество выделенного СО₂ при 30, 60 и 120 минутой выдержке соответственно составляет 27,53, 28,96 и 34, 77%. В образцах просеянных на ситах № 0,05; 0,4; 0,8; 3,0 мм количество выделенного СО₂ при 30, 60 и 120 минут достигало значений, равных 26,76, 29,45 и 32, 65%, соответственно. В образах на ситах № 3,0 мм и более при 30, 60 и 120 минутой термической обработке этот показатель составил 26,64; 28, 67 и 31, 43%.

Таким образом, на основании проведенных экспериментов выявлены оптимальные условия обжига дефеката: термическую обработку необходимо проводить при температуре 700^оС в течение 120 минут для дефеката, просеянного на ситах №0,4-1,0мм (таб.3).

ИК-спектроскопические исследования необожженного и обожженного дефеката позволили отметить происходящие изменения в составе функциональных групп.

Так на рис.1 и 2 представлены ИК-спектры дефеката без обжига и после обжига при температуре 700⁰С.

Рисунок 1. ИК-спектр дефеката без обжига

Явное отличие ИК-спектров наблюдается в интенсивности полос в высокочастотной части спектра 3400-3600 см^-1, характерном для кристаллизации и координации молекул воды и антисимметричные и симметричные валентные колебания, относящиеся к группе OH, наблюдается в интенсивности полос в области 1600-1630см^-1, что свидетельствует о наличие связанной воды и, следовательно, о высокой гигроскопичности дефеката.. Полосы поглошения в области частот 1012, 675 и 365 см^-1 относятся к аква-комплексам. Присутствие полос поглощения Si-O-Si в области 1000-970 см^-1, свидетельствует о наличии кремнезѐмсодержащих включений.

 На ИК-спектре дефеката после обжига при 700^оС проявляются явные полосы поглощения, в области частот 3550-3200 см^-1, соответствующие валентным колебаниям, а частоты 1630-1600см^-1 - деформационным колеба-ниям кристаллизационной воды. В спектрах частоты колебаний 1104; 613 см^-1 относятся к сульфатным комплексам (рис.2).

Рисунок 2. ИК-спектр дефеката после обжига при 700^оС

Интенсивная линия поглощения при 875 см^-1 и слабая линия при 1012 см^-1 указывают на наличие комплекса. В ИК-спектре наблюдается широкая линия в диапазоне 1300-1500 см^-1, которая может быть отнесена Н₂O, SO₃^2- . Например, в районе 1373 см^-1 находится линия, относящаяся к связи νС-O, а в диапазоне 1450-1410 см^-1- интенсивные линии, характеризующие карбонаты. Линию поглощения в низко-частотной области спектра 720 см^-1 можно отнести к карбонатам, представленных солями кальция и магния.

Анализ ИК-спектров дефеката обожженного при 700⁰С в присутствии гипохлорита натрия показывает наличие аналогичных спектральных линий в этих же областях спектра. (рис.3)

Рисунок 3. ИК-спектр раствора дефеката обожженного при 700^оС в гипохлорите натрия

Выводы

Таким образом, по данным ИК-спектроскопии установлено, что дефекат содержит воду, карбонаты и сульфаты. Кроме того, линии поглощения в диапазоне 1800-1700 см^-1 свидетельствуют о наличии органических веществ.

На основании проведенных физико-химических исследований, а также по результатам термообработки дефеката можно рекомендовать соляннокис-лотное разложение с целью получения хлорида кальция. В свою очередь, хлорид кальция можно использовать в синтезе хлората кальция, который находит свое применение в производстве дефолиантов.

При этом переработка дефеката в полной мере соответствует концепции «Чистого производства».

Список литературы:

1. Терешин В.Н. Строительные материалы с использованием известковых отходов сахарного производства. Автореф. дисс….канд.техн.наук. - Новосибирск, 2004. - C. 20-27.
2. Благадырёва A.M. Оценка эффективности применения термически модифицированного дефеката для очистки сточных вод от нефтепродуктов и объяснение механизма процесса водоочистки // Экология, энерго- и ресурсосбережение, охрана окружающей среды и здоровья человека, утилизация отходов: тез. докл. Международной научно-практической конференция. – Харьков,2009. -Т.2. - С.333 -334.
3. Свергузова Ж.А. Очистка модельных растворов и эмульсий от молочного жира, сыворотки и аспарагина модифицированным дефекатом // Геосистемы: факторы развития, рациональное использование, методы управления: материалы Международной научной конференции; под ред. д.г.н., проф. С.Я. Сергина. - Туапсе: Стерх- 2008. - С. 218-219.
4. Лупандина Н.С., Кирюшина Н.Ю., Свергузова Ж.А. и др. Использование производственных отходов для очистки сточных вод // Экология промышлен-ности России - 2010.-№5.-С.38-41
5. Умиров Ф.Э., Шодикулов Ж.М., Умиров У.Ф. // Путь науки. - 2020. -№10(80). http://dx.doi.org/10.13140/RG.2.2.11645.90082 c. 19.
6. Умиров Ф.Э., Номозова Г.Р. Новые методы получения хлоратов натрия, магния и кальция на основе гипохлорита натрия // Наманган давлат университети илмий ахборотномаси. - 2021. - № 5. - С. 88.
7. Бабаев З.К., Маткаримова Д.Б. Дефекат - новый реагент двух функциональных мишеней для обезвреживания и очистки запасов воды // Экологический вестник Узбекистана. Ташкент- 2017. - № 7 (195). - С. 48.
8. Бабаев З.К., Маткаримова Д.Б. Дефекат-новый реагент двухфункционального назначения при нейтрализации и очистке сточных вод. // Вестник Хорезмской Академии Мамуна. - Ташкент-2014. - №3 (32).
9. Умиров Ф.Э., Номозова Г.Р., Шодикулов Ж.М. Физико-химические свойства и агрохимическая эффективность новых дефолиантов на основе хлоратов натрия, магния и кальция, содержащих ПАВ // Universum: химия и биология. - 2021. №1. – ч.1 (79).
10. Умиров Ф.Э., Худойбердиев Ф.И., Тухтаев С., Муродова С.Д.. Получение дефолиантов на основе 4-амино-1, 2, 4-триазола с хлоратами натрия и магния //Вестник науки и образования. - 2018. - №3 (39)
11. Худойбердиев Ф.И., Умиров Ф.Э., Хамидова Г.О., Мажидов Х.Б.. Результаты исследований по получению гипохлорита и хлората кальция на основе отходов содовых производств // Ta’lim fidoyilari. - Ташкент- 2022. - С.265.
12. Umirov F.E., Nomozova G.R., Majidov H.B. Investigation of the production of surfactants containing sodium chlorate based on sodium hypochlorite: // Research. Journal of Critical Reviews. - 2020; 7(10). - Р.2577-2581.
13. Азимова Д.А., Салиханова Д.С., Эшметов И.Д., Умиров Ф.Э. Использование дефеката в процессах очистки сточных вод металлургического комбината // Узбекский химический журнал. - Ташкент- 2021, №1.- С.41-46.
14. Накамото К. ИК-спектры и спектры КР не[1]органических и координационных соединений. - М.: Мир, 1991.- 535 с.
15. Иващенко Ю. Г., Евстигнеев С. А., Страхов А. В., Тимохин Д. К.,. Механоактивированные модифицирующие добавки для строительных композитов // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2013, №3. – С.47-52.