بررسي سنتز ولاستونيت از ضايعات آهكي سنگبري

احمد منشي1، كاظم صالحي2 و امير عباس نوربخش3
استاد، هيأت علمي دانشگاه صنعتي اصفهان
كارشناسي ارشد، دانشگاه آزاد اسلامي واحد نجفآباد
استاديار، هيأت علمي دانشگاه آزاد اسلامي واحد شهرضا
[email protected]

چكيده
كاربرد ولاستونيت (3(CaSiO در صنايع مختلف توجه محققان را بر توليد بهصورت مصنوعي جلب كردهاست. از طرفي با توجه بهاهميت بازيافت مواد در جوامع صنعتي كنوني با وجود تعداد قابل ملاحظهاي واحد صنعتي در زمينة برش سنگ و متعاقباً ايجاد چند ميليون تني خاكه سنگ (لجن سنگ) در حين فرآيند برش بهصورت ساليانه در كشور ايران، در اين كار بهمطالعه خواص فيزيكي و شيميايي خاكة ايجادي و متقابلاً بهبررسي امكان بكارگيري آن در سنتز ولاستونيت بهعنوان يك منبع آهكي پرداخته شدهاست. رويه آزمايشگاهي با بكارگيري مواد اوليه خاكه سنگ، ميكروسيليس، سيليس صنعتي، كربنات كلسيم با مشبنديهاي 400، 800، 1500 و 2500 بهصورت مقايسهاي بر سه مبناي تغييرات نسبت مولي 2CaO/SiO، تغيير مواد اوليه و بكارگيري مواد پرخلوص و تغييرات دمايي از 1100 تا 1400 درجه سانتيگراد پايهگذاري شدهاست. نتايج توسط فرآيند اتوكلاوينگ جهت اندازهگيري درصد اكسيد كلسيم آزاد و آناليز توسط ميكروسكوپ نوري، پراش پرتو ايكس (XRD) و ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM) بررسي شدهاست. با توجه بهنتايج نسبت مولي بهينه 2CaO/SiO برابر با 85/0 در دماي 1300 درجه سانتيگراد حاصل گرديدهاست.

واژههاي كليدي:
ولاستونيت، لجن سنگ، اتوكلاوينگ، ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM)، پراش پرتو ايكس.(XRD)

1- مقدمه
در دهههاي اخير رشد صنعتي و افزايش توليد و در نتيجه مصرف، منجر بهكاهش سريع ذخاير طبيعي مواد خام شدهاست.
از طرف ديگر حجم بالاي توليد باعث ايجاد مقدار قابل توجهي از مواد باطل و ضايعات گرديده كه اثرات منفي زيادي بر محيط زيست دارند. بازيافت مواد در بسياري از كشورها و سازمانهاي بينالمللي مورد توجه است [1].
پيرو اين مطالب و درك اهميت بازيافت مواد، با توجه بهاينكه در كشور ايران بنابر آمار گرفته شده در سال 1387 تعداد 4925 واحد صنعتي كوچك و بزرگ در زمينه توليد، برش و شكل دادن سنگ كه بهنظر رقم قابل توجهي است فعاليت ميكنند امكان بكارگيري خاكة سنگ ايجادي در حين فرآيند برش و شكل دادن سنگ، با توجه بهاينكه حدوداً 30 درصد از سنگ برش داده شده بهخاكه يا لجن تبديل ميگردد مورد توجه اين مطالعه است [2]. اين نكته قابل ذكر ميباشد كه نه تنها در كشور ايران بلكه در كشورهاي توسعه يافته تاكنون كاربردي صنعتي براي بكارگيري اين مواد بهصورت عام در جهت رفع مشكلات زيست محيطي حاصله از دفع اين ضايعات ثبت نگرديدهاست، بنابراين در صورت انتخاب و بكارگيري در يك محصول مناسب از نظر اقتصادي نيز قابل توجيه ميباشد.
رشد جمعيت جهان منجر بهتوسعة مسكن و صنايع ساختماني گرديدهاست. بهدليل رشد قابل توجه صنعت سراميك و توليد سنگهاي تزييني حجم زيادي لجن صنعتي در طول فرآيند برش صخره سنگها ايجاد گرديدهاست. سنگچيني يا ماربل از جمله سنگهاي تزييني ميباشد كه بهوفور در طبيعت وجود دارد. چين، ايتاليا، اسپانيا، يونان، هند و ايران از جمله كشورهايي هستند كه تجارت آن را در اختيار دارند. اما دوغاب ماربل كه در حين فرآيند برش سنگ ماربل توليد ميگردد يك تهديد جدي براي اين صنعت ميباشد. نيمي از سنگ در طول فرآيند برش به ضايعات تبديل ميشود. مواد زائد حاصل از برش همراه با آب استفاده شده جهت خنكسازي، وارد حوضچههاي تصفيه آب ميشود در اين حوضچهها كه بهصورت سري قرار دارند رسوبگيري ثقلي انجام شده و آب صاف شده مورد استفاده مجدد قرار ميگيرد هر چند روز لجن حوضچهها در چالهها و زمينهاي اطراف كارخانه تخليه ميشوند كه پس از خشك شدن اين ماده آبكي تبديل بهذرات خيلي ريزي ميشود كه وجود اين ذرات موجب بهبار آمدن خسارات زيست محيطي و باعث آلودگي هوا و آلوده كردن زمينهاي حاصلخيز گرديده، ساليانه 6 ميليون تن خاكه در اثر برش اين سنگ در ايران توليد ميگردد كه اين حجم بالاي لجن توليدي باعث اشغال 17 ميليون مترمربع زمينهاي حاصلخيز در سال ميگردد بنابراين اهميت بكارگيري اين ضايعات ملموس بهنظر ميرسد.
با توجه بهتوسعه تكنيكهاي گرمايش اين انگيزش براي بدست آوردن راه حلي مناسب براي كارگيري اين دور ريزهاي آهكي در صنعت سراميك ايجاد گرديده كه نهايتاً توليد ولاستونيت بر اين اساس كه لجن ماربل بهعنوان منبعي براي كربنات كلسيم در نظر گرفته شود بهعنوان راه حل براي فائق آمدن بر انباشتگي لجنها و توليد كردن يك ماده اوليه مناسب براي صنعت سراميك، رنگسازي و پليمرسازي انتخاب و بررسي گرديدهاست. ولاستونيت بهخاطر مورفولوژي سوزني شكل، ضريب شكست بالا، درخشندگي، پايداري حرارتي و ابعادي بالا و سختي زياد امروزه كاربرد بسيار وسيع و گوناگون پيدا كردهاست [3]. ولاستونيت بهطور معمول در توليد سراميكهاي عايق حرارتي، آستر كارخانجات ذوب فلز، پوشش متالورژيكي، صنعت اتومبيلسازي و رنگسازي بهعنوان جايگزين مناسب براي آزبست كه يك ماده سرطاني است و در پليمرها مورد استفاده قرار ميگيرد، بهكار ميرود [4]. تجزيه و تحليل موارد مصرف ولاستونيت نشان ميدهد كه بكارگيري آن در صنايع مختلف افزايش يافتهاست. در صنعت سراميك ولاستونيت به عنوان چيني الكتريكي ويژه (مقـره) و ماده نسوز بهكار ميرود.
كاربرد جديد ولاستونيت بهعنوان مواد سراميكي بايواكتيو در تحقيقات ب يومواد ميباشد [5].
ولاستونيت يك مينرال سيليكاتي طبيعي با تركيب شيميايي اكسيد كلسيم 3/48 درصد و اكسيد سيليسيم 7/51 درصد است كه در سال 1822 توسط شيميدان و متالورژيست انگليسي بهنام ولاستون كشف و نامگذاري گرديدهاست [6].
ولاستونيت را كلسيم متاسيليكا با فرمول 3CaSiO نيز ميخوانند. ولاستونيت خالص سفيد رنگ بوده كه در صورت وجود ناخالصي بهصورت جانشيني يا بيننشيني رنگ آن بهصورت كرمي، صورتي يا قرمز تغيير ميكند. ولاستونيت طبيعي در اثر تغييرات ساختاري از واكنش سنگ آهك با سنگ سيليكا در اثر دما و فشار اعمالي به وجود ميآيد.
مشخصات ماكروسكوپي: سختي 5 تا 6 موهس، چگالي 8/2 تا 3gr/cm 9/2، جلاي آن شيشهاي، بيرنگ تا خاكستري و حالتي نيمه شفاف دارد.
ولاستونيت داراي سه فــرم كريستالي 1- تريكلينيك (متوازي السطوح) يا فاز دماي پايين 2- مونوكلينيك (كج وجهي) يا پارا ولاستونيت 3- شبــه هگزاگونال (منشور ششبر) يا شبــه ولاستونيت يا فرم دماي بالا ميباشد.
روشهاي صنعتي معمول جهت سنتز ولاستونيت عبارتند از روش هيدروترمال و روش سنتز حالت جامد، از آنجاييكه فرآيند هيدروترمال در يك محفظه بسته تحت فشار بخار بالا انجام ميگيرد استفاده از اين روش مستلزم استفاده از تجهيزات خاصي ميباشد و معمولاً جهت توليد در تناژ بالا روش مطلوبي بهحساب نميآيد. روش معمول ديگري كه براي سنتز در مقياس صنعتي وجود دارد روش سنتز حالت جامد ميباشد، اصل اين فرآيند بر پايه فرآيند نفوذي بنا نهاده شدهاست. بدين معني كه جهت انجام فرآيند نيازي بهذوب كامل مواد نميباشد و با توجه بهاينكه ذوب كامل صورت نميگيرد مادة حاصله ساختاري كريستالي خواهد داشت و درصد كمي از آن بهفاز شيشهاي يا آمورف تبديل ميشود. البته بهصورت مقايسه ميتوان گفت در روش هيدروترمال كنترل انجام فرآيند نسبتاً راحتتر و محصول حاصله خلوص بالاتري خواهد داشت در ضمن دماي انجام واكنش نيز با توجه بهاينكه فرآيند تحت فشار بالا صورت ميگيرد، پايينتر خواهد بود [7].
از آنجاييكه تقريباً نيمي از مادة اوليه بهكار رفته خاكه سنگ ميباشد، با توجه بهاحتمال حضور اكسيد كلسيم و سيليسيم بهصورت آزاد در محصول، تعيين دقيق نسبت مولي مخلوط كردن مواد، از اهميت قابل ملاحظهاي برخوردار است بههمين منظور در اين كار ابتدا بهبررسي و شناخت خاكه سنگ پرداخته شده و در ادامه با توجه بهاينكه هدف تعيين شرايط بهينه جهت سنتز و مقايسه موردي نتايج بدست آمده در شرايط مشابه در صورت بكارگيري مواد پرخلوص ميباشد نمونههايي با نسبت مولي 2CaO/SiO از 8/0 تا 2/1 از مخلوط كربنات كلسيم خالص همراه با ميكروسيليس، كربنات كلسيم خالص همراه با سيليس خالص، خاكه سنگ همراه با ميكرو سيليس و خاكه سنگ همراه با سيليس خالص تهيه و در دماهاي 1100، 1200 و 1300 درجه سانتيگراد پخت داده شدهاست. نتايج حاصله توسط فرآيند اتوكلاوينگ جهت اندازهگيري درصد اكسيد كلسيم آزاد و توسط ميكروسكوپ نوري و الكتروني و همچنين توسط XRD و آناليز حرارتي (TG) مورد ارزيابي و بررسي قرار گرفتهاست.
جدول (1): تركيب شيميايي لجن ماربل.
CaO MgO SiO2 Fe2O3 Al2O3
53/24 2/66 0/222 0/087 0/039
SO3 SrO3 CuO LOI Total
0/028 0/018 0/012 43/64 99/95

جدول (2): تركيب شيميايي ميكروسيليس.
SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO MnO K2O
94/68 1/19 0/75 0/19 0/06 0/60
C S CaO Na2O L.O.I Total
0/32 0/06 0/35 0/60 0/96 99/76

2- مواد و رويه آزمايشگاهي
ميكروسيليس توليدي در كارخانه فروآلياژ ازنا با درجه خلوص 68/94 درصدي و لجن حاصله از فرآيند برش سنگ ماربل از كارخانه سنگبري وزين سنگ واقع در شهرستان اليگودرز با مد نظر قرار دادن اين نكته كه كيفيت سنگ برش داده شده در اين كارخانه بهصورت بهينه ميباشد همراه با پودرهاي كربنات كلسيم پرخلوص با مشبنديهاي 400، 800، 1500، 2500 و سيليس با مش 100 بهعنوان مواد اوليه جهت سنتز ولاستونيت استفاده شدهاند.
تركيب شيميايي لجن سنگ ماربل در جدول (1) آمدهاست.
همانطوركه مشاهده ميشود لجن ماربل حاوي مقدار ناچيز ناخالصيهايي بهفرم سيليكا، آلومينا، قلياها، اكسيد آهن و اكسيد منيزيم ميباشد كه اندازه اين ذرات نيز كوچكتر از 10 ميكرون متر ميباشد.
همانطوركه در جدول (2) مشاهده ميشود سيليكاي موجود در ميكروسيليس 68/94 درصد ميباشد كه البته اين XRF برآمده از ميانگينگيري پانزده تست XRF انجام شده بر روي ميكروسيليس در هفتههاي متوالي ميباشد. مساحت سطح ذرات سيليكا فوم m2/g21 و اندازه ذرات آن كوچكتر از µm 1/0 ميباشد.
تركيب شيميايي كربنات كلسيم خالص بهكار گر فته شده نيـز درجدول (3) آمدهاست.
جدول (3): تركيب شيميايي كربنات كلسيم.
CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2
55/41 0/14 Trace 0/008 0/009
MgO Na2O K2O SO3 L.I.O
0/75 0/20 0/03 0/003 43/42

پنج سري نمونه با نسبت مولي 2CaO/SiO برابر با 8/0، 9/0، 0/1، 1/1 و 2/1 جهت بدست آوردن نسبت بهينـه از مخلـوط لجـن بـا ميكروسيليس و 5 سري نمونه با همين نسبت جهت مقايسه نتـايجحاصــله بــا يكــديگر، از مخلــوط كربنــات كلــسيم خــالص و ميكروسيليس تهيه شدهاست. مراحل نمونه سازي بـهايـن صـورتميباشد كه با توجه بهاينكه لجن ايجادي بهشكل كلوخه ميباشد توسط بال ميل بهمدت 1 سـاعت تحـت عمليـات خـردايش قـرارگرفت ه و پ س از خ ردايش ه م راه ب ا ميكروس يليس ب ر اس اس نسبتهاي مولي ذكر شده بـهصـورت كامـل مخلـوط گرديـده وجهت چسبندگي ذرات بهيكديگر بهمقـدار 6 درصـد وزنـي آب بهمخلوط تهيه شده اضافه گرديـدهاسـت . مخلـوط تهيـه شـده درقالب استوانه اي شكل تحت پرس تك محوري با فـشاري معـادل 2Kg/cm 50 بهشكل قرص هايي به قطر 3 و ارتفاع 5/1 سـانتيمتـرپرس گرديدهاست.
نمونههاي تهيه شده در خشككن در دماي 125 درجه سانتي گراد بهمدت 2 ساعت خشك و سپس در دماهاي 1100، 1200، 1300 و 1400 درجه سانتيگراد بهمدت 3 ساعت در كوره آزمايشگاهي حرارت داده شدهاند.
سه سري آزمايش جهت اندازهگيري درصد اكسيد كلسيم آزاد در نمونة پخت شده توسط انجام فرآيند اتوكلاوينگ بهمدت 2 ساعت تحت فشار بخار آب، درصد تخلخل ظاهري و وزن مخصوص بر اساس قانون ارشميدس و آناليز توسط ميكروسكوپ نوري در بزرگنماييهاي 100، 150، 300، 400 و
750 برابر انجام گرفتهاست.
فازهاي كريستالي ايجاد شده بعد از پخت توسط آناليز XRD با مشخصات نوع Xpert Philips، اندازه گام 5/0 درجه در هر ثانيه، ولتاژ 40 كيلو ولت و آمپراژ 30 ميليآمپر بررسي شدهاست.

دما
)
ل
س

درجه
سيوس
(

وزن

كاهش

رصد
د

دما

)

ل

س

درجه

سيوس

(

وزن

كاهش

رصد



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید