Изучение вещественного состава Кызылтуйского кварц-полевошпатового песка и его пригодность для получения тарных стекол

АННОТАЦИЯ

В статье приведены задачи по разработке составов зеленых стекол из местных сырьевых материалов, которыми располагает Республика Каракалпакстан. Подбор подходящих сырьевых материалов осуществлялся с учетом экономических, экологических и технологических факторов. Для введения в состав стекла SiO₂ был взят обогащенный кварц-полевошпатовый песок Кызылтуйского месторождения.

ABSTRACT

The article presents the tasks of developing compositions of green glasses from local raw materials that the Republic of Karakalpakstan possesses. The selection of suitable raw materials was carried out taking into account economic, environmental and technological factors. To introduce SiO2 into the glass composition, enriched quartz-feldspar sand of the Kyzyltuiskoye deposit was taken.

Ключевые слова: стеклянные тары, узкогорлая тара, бесцветное стекло, широкогорлая тара, стекольные кварцевые пески, технологическая схема, кварц-полевошпатовых песков.

Keywords: glass containers, narrow-necked containers, colorless glass, wide-necked containers, glass quartz sands, technological scheme, feldspar sand quartz.

Почвенно-климатические условия Республики Узбекистан создают благоприятные условия для возделывания экологически чистой плодоовощной продукции, богатой полезными для здоровья человека веществами, незаменимыми в рационе питания. Выращиваемые на щедрой земле фрукты и овощи, пользующиеся высоким спросом за рубежом, отличаются высокой конкурентоспособностью. На этой основе в стране развивается отрасль переработки сельскохозяйственной продукции, включающая в себя предприятия по производству плодоовощных консервов, овощных и фруктовых соков, алкогольных и безалкогольных напитков, фруктового и овощного пюре, паст и сиропов. По некоторым из этих позиций Узбекистан входит в число крупнейших мировых производителей [5]. Развитие переработки плодоовощной продукции тесно связано с развитием стекольной отрасли, т. к. тарные изделия из стекла являются важным экологически чистым упаковочным материалам для растарывания сельскохозяйственной продукции.

Высокие эксплуатационные свойства, а также прозрачность, многократность использования, возможность повторной переработки и другие преимущества стеклянной тары перед другими упаковочными материалами делают ее незаменимым материалом. Как известно, в технологии стекла различают узкогорлую и широкогорлую стеклянную тару [2]. В промышленном секторе узкогорлая стеклянная тара используется для розлива алкогольных и  безалко­гольных напитков, минеральных вод, ликеров, настоек, соков, шампанских вин и растительных масел. Выпуска­ется узкогорлая тара емкостью преимущественно 50, 200, 250, 330, 500, 700 и 1000 мл. Вырабатывается она из бесцветного, полубелого, темно-зеленого и оран­жевого стекла в соответствии с ГОСТ 10117.1-2001 [4]. В бутылках из бесцветного стекла до­пускаются слабые цветные оттенки: зеленоватый, голу­боватый, желтоватый и сероватый. В бутылках из полу­белого стекла допускаются зеленоватые, голубоватые и желтоватые оттенки. Широкогорлая тара используется для розлива молока и молочных продуктов, расфа­совки консервированных продуктов. Вы­рабатывается широкогорлая тара в соответствии с ГОСТ 5717.1-2014 из прозрачного и полубелого стекла емкостью 100-1000 мл [1].

На сохранность пищевых продуктов большое влияние оказывает излучение в ультрафиолетовой области спектра с длиной волны до 300 нм и в видимой – до 500 нм. Световое излучение отрицательно воздействует на сохранность молока, растительных масел, соков, пива, некоторых сортов вин и др. Например, в пиве под воздействием света (длина волны 420-500 нм) образуются сернистые соединения, и появляется «световой» привкус. Молоко в бесцветной бутылке при дневном свете быстро теряет витамин С. Свет отрицательно влияет также на витамины А, В6 и др. Растительные масла под воздействием света (длина волны 430-460 нм) стареют и портятся [8]. В связи с этим особым требованием в производстве стекла является разработка составов стекол с абсорбционными свойствами, куда и относится зеленая стеклотара. Помимо ограничений, связанных со светопропусканием стекла для расфасовки консервных или иных пищевых продуктов, оно должно отвечать по показателям химической устойчивости и механической прочности. Обычно промышленные тарные стекла пропускают в незначительном количестве излучение с длиной волны менее 300 нм, что объясняется присутствием в стекле оксидов железа. Железо представляет собой красящий агент, который полностью удовлетворяет упомянутым требованиям. Присутствие железа в форме ионов двухвалентного железа Fe²⁺, отличных от ионов трехвалентного железа Fe³⁺, позволяет уменьшить прохождение инфракрасных лучей через стекло, кроме того, железо придает зеленую окраску [6; 12]. Основным носителем оксидов железа в производстве стекла являются кварцевые пески. Согласно ГОСТ 22551-77 стекольные кварцевые пески классифицируют на 15 марок, различающихся содержанием основного вещества и примесей, прежде всего оксидов железа [3].

В связи с этим нами была поставлена задача по разработке составов зеленых стекол из местных сырьевых материалов, которыми располагает Республика Каракалпакстан. Подбор подходящих сырьевых материалов осуществлялся с учетом экономических, экологических и технологических факторов. Для введения в состав стекла SiO₂ был взят обогащенный кварц-полевошпатовый песок Кызылтуйского месторождения.

Кызылтуйское месторождение кварцевого песка находится в Кунградском районе, в 20 км северо-западнее г. Кунград и в 8 км северо-восточнее железнодорожной станции Равшан. Кызылтуйские кварцевые пески относятся к барханным пескам, и они перекрывают аллювиальные четвертичные отложения, образующие равнину древней дельты р. Амударья (абсолютные отметки рельефа 59,00-70,45 м). Пески образуют барханы бугристо-грядовой формы. Песок кварцевый тонко-мелкозернистый, светлой серовато-желтоватой окраски. Мощность песков – 0,5-20,0 м [11]. Минералогический состав песка состоит в основном из кварца (здесь и далее в мас.%) – 83,0-85,0; полевого шпата – 1,0-2,5; кальцита – 5,0-6,0; слюды – менее 1,0.  Также обнаружено, что в составе песка содержатся глинистые, илистые и пылеватые частицы в пределах 0,35-1,95%.

В промышленном стекловарении большое внимание уделяется рациональному подбору гранулометрического состава сырья. Зерновой состав компонентов шихты оказывает влияние на условия ее смешивания, расслоение в процессе транспортирования и скорость реакций силикато- и стеклообразования.  Дисперсность кварцевого песка и других сырьевых материалов должна находиться в пределах, не вызывающих затруднение варки. Чем мельче зерна песка, тем выше скорость стеклообразования. Однако при варке монофракционного песка этот процесс протекает медленнее. Зерна песка окатанной формы плавятся с меньшей скоростью, чем угловатой, или зерна, имеющие трещины. В связи с этим требования к гранулометрии песка отличаются значительным разнообразием. В частности, в зарубежной литературе предлагается полностью отделять зерна песка диаметром более 0,5 мм [13]. Однако это требование на высокопроизводительных линиях трудновыполнимо из-за сильного износа просеивающего оборудования. Поэтому более мелкий песок, в частности, вибромолоты, используют только при производстве тугоплавких стекол. Требования существующих стандартов на территории СНГ обеспечивают размер песка после его просева 0,1-0,8 мм, в то время как действующие зарубежные стандарты – 0,1-0,5 мм. Фракция крупных зерен в песках составляет обычно 2-10%. Поскольку именно эта группа сырья задерживает процесс стекловарения, то главной задачей стадии просева при обработке сырья является отсев именно этой фракции. Также опасно присутствие в сырье фракции менее 0,1 мм, так называемой «пылевидной», так как вследствие больших сил поверхностного натяжения мелкие частицы обладают способностью комковаться, т. е. в процессе варки они ведут себя как крупные частицы и приводят к «холмовке» в процессе стекловарения. Изучение гранулометрического состава песков осуществлялось ситовым анализом согласно методике, изложенной в [9], и масса состоит в основном из 0,1-4,0 мм, 80-85%. Как видно из полученных данных, кварц-полевошпатовый песок отвечает требованиям ГОСТ 22557-77, т. к. содержание полезной фракции (0,1-0,4 мм) составляет более 80%. Химический анализ песка проводился по классической методике [7]. На основе сопоставления требований к кварцевым пескам, согласно [3] и полученным данным, можно заключить, что прямое потребление кварц-полевошпатового песка данного месторождения не представляется возможным. Поэтому для этих целей предлагается их обогащать.

Таблица 1.

Химический состав исходных кварц-полевошпатовых песков Кызылтукского месторождения

Как видно из анализа, гранулометрический состав песка представлен в основном в 3-х фракциях: до 0,15 мм, фракции 0,15-0,4 мм и фракции более 0,4 мм. Поэтому в технологический цикл включена операция грохочения, позволяющая отделить ненужные фракции кварцевого песка в отвал. На рисунке представлена разработанная технологическая схема обогащения.

Рисунок. Технологическая схема обогащения кварц-полевошпатового песка: 1 – отсек для хранения песка; 2 – электроталь; 3– конвейер; 4 – барабанный сито-бурат; 5 – вентилятор; 6 – циклон; 7 – электромагнитный сепаратор; 8 – элеватор; 9 – бункер готового продукта

Повышенное содержание оксидов железа в составе шихты приводит к трудностям в процессе варки стекла, поэтому в технологический цикл включена электромагнитная сепарация, позволяющая снизить этот показатель. В лабораторных условиях апробирована разработанная технология обогащения кварц-полевошпатовых песков Кызылтуйского месторождения. В ходе экспериментов руководствовались методикой, изложенной в [7; 10]. Полученные данные представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Результаты обогатимости песков Кызылтуйского месторождения

Таким образом, для получения стеклянной тары зеленого цвета в условиях Республики Каракалпакстан можно использовать кварц-полевошпатовые пески Кызылтуйского месторождения после обогащения. Предложенная схема обогащения позволяет получить стекольные пески с удовлетворительными характеристиками, позволяющими получить стекло с зеленым оттенком, абсорбирующие УФ-лучи с длиной волн до 300 нм и лучи видимой области спектра до 500 нм, которые, в свою очередь, будут служить для упаковки различных алкогольных и безалкогольных напитков, сиропов, консервной продукции и т. п. Предлагаемую технологию и сырье можно использовать в условиях ООО «Каракалпакстеклотара» либо как инновационное предложение для организации производства зеленой стеклянной тары в Республике Каракалпакстан.

Список литературы:
1. Бакиева И.А., Усманова Н.Д. Производство и экспорт плодоовощной продукции в Республике Узбекистан // Молодой ученый. – 2015. – № 21. – С. 348-350.
2. ГОСТ 10117.1-2001 Бутылки стеклянные для пищевых жидкостей. Общие технические условия // Консорциум Кодекс: электронный фонд правовой и нормативно-технической документации [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200030289 (дата обращения: 15.11.2019).
3. ГОСТ 22551-77 Песок кварцевый, молотые песчаник, кварцит и жильный кварц для стекольной промышленности. Технические условия // Консорциум Кодекс: электронный фонд правовой и нормативно-технической документации [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200024935 (дата обращения: 15.11.2019).
4. ГОСТ 5717.1-2014 Тара стеклянная для консервированной пищевой продукции. Общие технические условия // Консорциум Кодекс: электронный фонд правовой и нормативно-технической документации [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200110974 (дата обращения: 15.11.2019).
5. Гулоян Ю.А. Технология стекла и стеклоизделий. – Владимир: Транзит-Икс, 2003. – С. 478.
6. Гулоян Ю.А. Физико-химические основы технологии стекла. – Владимир: Транзит-Икс, 2008. – 735 с.
7. Ильганаев В.Б., Исматов А.А. Об обогатимости кварцевых песков Джеройского месторождения // Доклады Академии наук УзССР. – 1979. – № 8. – С. 49-51.
8. Матюхина З.П. Товароведение пищевых продуктов. – М.: Изд. центр «Академия», 2013. – 336 с.
9. Павлушкин Н.М., Сентюрин Г.Г., Ходаковская Р.Я. Практикум по технологии стекла и ситаллов. – М.: Изд-во лит-ры по строительству, 1970. – 512 с.
10. Панкова Н.А., Михайленко Н.Ю. Стекольная шихта и практика ее приготовления: Учебное пособие / РХТУ им. Д.И. Менделеева. – М.: РХТУ, 1997. – 80 с.
11. Сводный обзор месторождений и проявлений твердых полезных ископаемых Республики Каракалпакистан. – Ташкент, 2001. – 388 с.
12. Справочник по производству стекла / Под ред. И.И. Китайгородского, С.И. Силвестровича. – М.: Госизат, 1963. – Т. 1. – 462 с.
13. Shelby J.E. Introduction to Glass Science and Technology. Second Edition. New York, Alfred. 2005. 312 р.