Древесно-цементные материалы и изделия

 

К древесно-цементным материалам относятся арболит, фибролит, цементно-стружечные плиты, опилкобетон и др.

Арболит – разновидность мелкого бетона, в состав которого входят органические наполнители, минеральные вяжущие, химические добавки-ускорители и вода. Наполнителями служат измельченная древесина из отходов. В качестве вяжущих используют разновидности портландцемента. Химическими добавками являются хлористый кальций, жидкое натриевое стекло, сернокислый алюминий. Основные операции производства арболита включают дробление (измельчение) древесных отходов, изготовление арболитной смеси, ее укладка в формы, уплотнение, тепловую обработку и сушку изделий, отделку поверхности.

Изделия из арболита – крупноформатные стеновые панели, блоки, плиты покрытий и перекрытий, перегородки, плиты для полов и другие строительные конструкции и детали.

Фибролит готовят из смеси минеральных вяжущих (портландцемент) и длинноволокнистых стружек, пропитанных (минерализованных) 5-процентным раствором хлористого кальция. Длинноволокнистая стружка представляет собой образования длиной 300–500 мм, шириной 1–6 мм и толщиной 0,1–0,6 мм, которая обеспечивает значительно большую прочность плит на изгиб по сравнению с опилками. Фибролит выпускают в виде прессованных плит толщиной 30–150 мм, шириной 500–1200 мм, длиной 2400–3000 мм, которые изготовляются и упрочняются по технологиям, аналогичным производству арболита и других древесно-цементных материалов и изделий. Плиты используют для устройства перегородок, деревянных каркасов стен, утепления стен, перекрытий и покрытий.

Цементно-стружечные плиты получают из древесных стружек и минерального вяжущего (портландцемента) с добавками ускорителя твердения (жидкое стекло, сернокислый алюминий). Плиты огне-, био- и морозостойки, широко применяются в сборном деревянном домостроении.

Опилкобетон – легкий материал на основе опилок, песка и портландцемента, из которого изготавливают чистые полы, стеновые блоки и панели, а из монолитного опилкобетона возводят стены зданий.

 

Утилизация отходов в промышленности строительных материалов

 

В промышленности строительных материалов используют ряд неорганических и органических отходов различных отраслей промышленности.

Неорганические отходы по химическому составу можно разделить на четыре группы: 1) кремнеземнистые, содержащие свыше 50% SiO₂; 2) известковые (более 50% CaO); 3) известково-кремнеземнистые, имеющие в своем составе по 20–50% оксидов кремния и кальция; 4) другие отходы.

К кремнеземнистым относятся вскрышные породы открытой добычи полезных ископаемых, горелые породы терриконов угольных шахт, хвосты обогащения руд и углей, большая часть золы и шлаков ТЭЦ.

К известковым относятся вскрышные известняковые, меловые и мергелитовые породы, шлаки черной металлургии.

Известково-кремнеземистые отходы составляют нейтральные с основностью, близкой к единице, шлаки черной металлургии, золы и шлаки ТЭС, бокситовые шламы алюминиевой промышленности.

К четвертой группе можно отнести неорганические отходы строительной индустрии, шламы и осадки промышленных сточных вод и т.п.

Вскрышные карбонатные породы используют для производства минеральной ваты и стекла или наполнителей.

Пески вскрышных пород пригодны для строительных растворов, выпуска силикатного кирпича. Глинистая фракция применяется для производства минеральной ваты и керамзита.

Кварцсодержащие отходы обогащения руд черных и цветных металлов утилизируют при производстве мелких стеновых блоков, силикатного кирпича, керамической плитки, наполнителей бетонов, дорожного щебня, каменного литья.

Кварцсодержащую породу обогащения углей используют при изготовлении пустотелого кирпича, пористых наполнителей, гравия.

Металлургические, литейные шлаки применяют для изготовления изделий из плотного силикатного и ячеистого бетонов, шлакоблоков, щебня, песка.

Широкое применение нашли золошлаковые отвалы ТЭС для выпуска кирпича разного типа, пористых наполнителей, керамики, дорожных материалов, бетонов и железобетонов.

Стеклобой используют как сырье при его варке, в качестве наполнителей в дорожном строительстве, при изготовлении керамики, панелей, кирпича.

Строительные отходы за рубежом перерабатывают в щебень, песок, асфальтобетон для дорожных оснований. В США около 35% материала асфальтового покрытия дорог применяется повторно. До 80–90% строительного мусора утилизируют при обратной засыпке котлованов, ландшафтном строительстве, подготовке дорог. В ФРГ годовой объем переработки строительных отходов превышает 30 млн. т, которая осуществляется на стационарных и на передвижных установках, обслуживаемых двумя работниками. Производительность таких установок до 350 т/ч материалов.

В России уровень утилизации отходов строительной индустрии незначителен и ограничен несколькими установками общей мощностью не более 100 тыс. т щебня в год.

 

Вопросы для самопроверки

 

1 По каким признакам классифицируют строительные материалы?

2 Назовите основные виды строительных материалов.

3 Какими свойствами характеризуются строительные материалы?

4 Как получают бетон? Укажите его составляющие и марки.

5 Охарактеризуйте виды совмещения бетона и арматурной стали в железобетонных конструкциях.

6 Какие операции включает технология производства керамических изделий?

7 Укажите основные области применения керамических изделий.

8 Что объединяет и отличает фарфор и фаянс?

9 Укажите основные свойства стекла, отсутствующие у других строительных материалов.

10 В чем состоит технология изготовления стекла?

11 Укажите области использования изделий из минеральных расплавов.

12 Изложите основные способы производства минеральной ваты.

13 Назовите наиболее распространенные волокнистые материалы и укажите их достоинства и недостатки.

14 Приведите примеры естественных неорганических материалов строительного назначения.

15 Приведите примеры искусственных строительных материалов на основе органических вяжущих.

16 Какие материалы входят в группу комбинированных строительных материалов?

17 В чем состоят основные отличия в технологии производства бетона и бетонополимеров?

18 Укажите основные достоинства и недостатки полимербетонов и бетонополимеров.

19 Укажите основные виды древесно-цементных материалов.

20 Из каких основных операций состоит производство древесно-цементных материалов и изделий?

21 На какие группы делят неорганические отходы в промышленности строительных материалов?

22 Приведите примеры утилизации отходов в промышленности строительных материалов.

 

 

Производства основной химии

 

Развитие народного хозяйства передовых стран характеризуется глубоким проникновением во все отрасли промышленности и сельского хозяйства химических веществ, на основе которых выпускают тысячи изделий и продуктов, различных по назначению и свойствам. Значительную часть этих веществ производят отрасли основной химии (неорганические кислоты, щелочи, соли, удобрения и т.д.). Известны 22 вида неорганических кислот, но в наибольших качествах выпускают серную, азотную, соляную и фосфорную кислоты.

 

Кислоты

Серная кислота (H₂SO₄) используется в основном в производстве минеральных удобрений, а также других кислот (фосфорной, соляной), солей, взрывчатых веществ, различных органических продуктов, при травлении металлопроката, сушке газов, в качестве катализатора в гидролизной промышленности и во многих других отраслях.

Базовым сырьем для получения серной кислоты является сернистый ангидрид (SO₂), который образуется при сжигании серного колчедана (пирита) FeS₂ или серы. В ряде случаев утилизируют отходящие сернистые газы и сероводород – продукты комплексной переработки руд цветных металлов, угля, нефти или природного газа.

Обжиг колчедана – автогенный процесс, описываемый реакцией

 

4FeS₂ + 11O₂ = 8SO₂ + 2Fe₂O₃ + 3416 кДж.

 

Наряду с сернистым ангидридом при обжиге образуется порошок (пиритный огарок), который содержит 45–47% Fe, 0,5–4,6% S и комплексно перерабатывается с получением чугуна и цветных металлов.

Получение серной кислоты из сернистого ангидрида реализуется в соответствии с суммарной реакцией

 

SO₂ + 0,5O₂ + nH₂O = H₂SO₄ + (n–1)H₂O + Q.

 

Азотную кислоту HNO₃ используют при изготовлении удобрений и различных солей, взрывчатых веществ, в фармацевтической промышленности.

Азотная кислота – сильнейший окислитель. Она переводит серу в серную кислоту, разрушает многие органические вещества, что сопровождается их воспламенением (бумага, дерево). Металлы, кроме золота и платиноидов, образуют с азотной кислотой соли, называемые нитратами или селитрами.

Сырьем для производства азотной кислоты служит аммиак, воздух и вода. Основу технологии составляют три стадии: контактное окисление аммиака до монооксида азота

 

4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O + 9073 кДж.

 

Окисление монооксида азота в диоксид осуществляется по реакции

 

2NO + O₂ = 2NO₂ + 1123 кДж.

 

Абсорбция диоксида азота водой сопровождается реакцией

 

3NO₂ + H₂O = 2HNO₃ + NO + 136 кДж.

 

Соляную кислоту используют в производстве различных солей, красителей, каучука, травления металлов, в гидрометаллургии, при получении сахара, дублении и окраске кож, в гальванопластике и т.д.

Производство кислоты включает две основные стадии: получение хлористого водорода и его абсорбцию водой. Основную долю хлористого водорода получают прямым синтезом при взаимодействии хлора и водорода

 

Cl₂ + H₂ = 2HCl + 1844 кДж.

 

Хлористый водород получают сжиганием водорода в атмосфере хлора.

Фосфорной называют ортофосфорную кислоту H₃PO₄, получение которой основано на разложении природных фосфатов сильными кислотами, чаще – серной. Она используется для получения минеральных удобрений и технических солей, кормовых фосфатов, а также в керамической и стекольной промышленности.

 

Минеральные удобрения

Удобрениями называют вещества, вносимые в почву для повышения урожайности, качества, устойчивости к болезням сельскохозяйственных культур.

Минеральные удобрения по типам содержащихся питательных веществ для растений классифицируются на фосфорные, азотные и калийные.

Фосфорные удобрения представлены двойным суперфосфатом, получаемым химическим путем, а также производством фосфоритовой муки и термофосфатов.

Сырьем для производства фосфорных удобрений служат природные аппатитовые и фосфоритовые руды. В аппатитах фосфор находится в виде минералов с общей формулой 3Ca₃(PO₄)₂ × CaX₂, где Х – может быть представлен фтором, гидроксильной группой или хлором. В фосфоритовых рудах фосфор представлен фтороаппатитом. Примесными минералами в фосфорном сырье являются нефелин, каолин, кварц, доломит и др. Мировая добыча фосфатных руд достигает 140 млн. т/г, из которых 90% расходуется на производство минеральных удобрений.

Современные методы переработки природных фосфатов в удобрении разделяют на несколько групп:

механическое измельчение фосфоритов с получением фосфоритовой муки, используемой в качестве удобрений;

термическое производство путем сжигания или плавления при 1200–1800⁰С природных фосфатов с различными добавками: фосфорной кислотой, кремнеземом, известняком, силикатами магния. К термофосфатам условно относят основные сталеплавильные шлаки с высоким содержанием фосфора, которые содержат до 20% усвояемого Р₂О₅ и 40–50% СаО, что делает их особо эффективными на кислых почвах.

Химические способы производства с обработкой фосфоритов минеральными кислотами, когда получают двойной суперфосфат – основное фосфорное удобрение. Его технология состоит в следующем. первичное фосфатное сырье дробят, грохотят, промывают водой для частичного удаления пустой породы и подвергают флотации. При обогащении апатито-нефелиновых руд Кольского полуострова выделяют апатитовый концентрат и нефелиновые хвосты, которые используют как сырье для производства глинозема.

При воздействии на фосфаты фосфорной кислотой образуется моногидрат монокальцийфосфата (двойной суперфосфат):

 

(Ca₅F)(PO₄)₃+7H₃PO₄+5H₂O=5Ca(H₂PO₄)₂ H₂O+HF+132,3кДж.

 

Двойной суперфосфат – концентрированное фосфорное удобрение, содержащее 42–50% усвояемого Р₂О₅, в том числе 37–42% – водорастворяемого. В гранулированном виде он хорошо растворяется и дает повышенный агрохимический эффект.

Помимо фосфорных удобрений, выпускаются кормовые фосфаты (преципитаты), применяемые как добавки в корм животных при недостатке в их рационе фосфора и кальция. Такие добавки отличаются от удобрений отсутствием вредных примесей железа, мышьяка и тяжелых цветных металлов. Преципитаты получают из фосфорной кислоты, воздействуя на нее суспензией известняка (мела) или известковым молоком с осаждением основного компонента – двухводного дикальций фосфата CaH₂PO₄ 2H₂O. Технический продукт имеет 46% усвояемого Р₂О₅ (пентаоксида фосфора). Технологические операции и режимы производства преципитата подобны используемым при получении двойного суперфосфата. Объемы выпуска преципитата сопоставляемы с тоннажем двойного суперфосфата.

В азотных удобрениях азот находится в NН₄ – аммиачной или NO₃ – нитратной формах, иногда – в обеих (нитрат аммония NН₄ NO₃). Наиболее распространен нитрат аммония (аммиачная селитра), содержащий до 35% азота и карбамид (мочевина) – наиболее концентрированное по азоту (до 46,6%) удобрение. Используют также сульфат аммония (NH₄)₂SO_4. Эти удобрения выпускают в твердом гранулированном виде, но в связи со значительным ростом производства аммиака увеличивается объем выпуска жидких азотных удобрений.

Изготовляют аммиачную селитру на заводах, получающих аммиак и азотную кислоту. Производство селитры включает несколько стадий.

Нейтрализация разбавленной (46–60%) азотной кислоты газообразным аммиаком:

 

HNO₃ + NH₃ = NH₄NO₃ + 144,9 кДж.

 

Затем делают упарку раствора нитрата аммония до расплава, содержащего до 99,8% этого вещества. После этого его подвергают гранулированию, которое производят в грануляционных башнях длиной 11 м, шириной 8 м, высотой до 70–100 м, где вещество в каплевидном состоянии подают вниз. Перевод вещества в каплевидное состояние достигается при помощи вращающегося разбрызгивателя. При падении капли охлаждаются потоком поступающего снизу воздуха и превращаются в гранулы диаметром 2,5 мм.

Карбамид получают из аммиака и углекислого газа.

 

2NH3 + CO₂ = CO(NH₂)₂ + H₂O + 119,1 кДж.

 

Реакцию проводят в колоннах синтеза или давлении 18–20 МПа и температуре 180–200°С в течение 30–40 мин. Расплав, содержащий 29–31% карбамида, упаривают в двухстадийных аппаратах под давлением 30–40 кПа а температуре 130°С. После упаривания 99,7–99,8% жидкий карбамид поступает в грануляционную башню, где, подобно аммиачной селитре, распыляется, гранулируется и охлаждается. Полученный продукт рассеивают в виде гранул диаметром 1–4 мм, упаковывают и отправляют на склад.

Сульфат аммония – низкоконцентрированное азотное удобрение, в промышленных условиях образуется при нейтрализации серной кислоты газообразным аммиаком

 

2NH₃ + H₂SO₄ = (NH₄)₂SO₄ + 274 кДж.

 

Сульфат аммония выпускают как побочный продукт при очистке коксового газа от аммиака серной кислотой.

Калийные удобрения готовят из природных минералов, содержащих соли калия. Мировая добыча калийных солей достигает 320 млн. т/г. Наибольшее значение имеет сильвинит КСl NaCl. Самое крупное месторождение сильвинита в мире (Верхнекамское) расположено на Среднем Урале.

Основным калийным удобрением является хлорид калия, который применяют в качестве удобрения для всех почв и культур.

Ведущим способом получения хлористого калия из сильвинита служит флотация, на долю которой приходится более 80% выпуска.

Для сельского хозяйства хлорид калия выпускают в виде гранул, полученных прессованием мелкодисперсного осадка с последующим его дроблением и классификацией по крупности.