Использование гальванических шламов при производстве керамических пигментов

Главная » Литература » Статьи » Использование гальванических шламов при производстве керамических пигментов
Автор: Беломеря Н.И., Шевченко А.Ю., Соловьева Н.А.

В настоящее время гальванические производства имеют практически все предприятия машиностроительной, электротехнической и других отраслей промышленности Украины (всего около 2000).

Переработка гальванических шламов для предприятий обременительна, поэтому они после нейтрализации (перевода в менее растворимые соеденения) направляются на захоронение. Однако, это не решает проблемы сохранения окружающей среды, поскольку и после нейтрализации шламы являются в той или иной степени токсичными. 

В шламохранилищах предприятий Украины складировано несколько миллионов тонн этих отходов. Накопление гальваношламов в отвалах занимает полезные площади и приводит к загрязнению водоемов, связанному с просачиванием в водоносные горизонты земной поверхности. 

Попадание ионов тяжелых металлов (никеля, хрома, кадмия, цинка, меди, олова и других) в почву и воду вызывает антропогенные геохимические аномалии в атмосфере, гидросфере, приводит к ослаблению жизнедеятельности почвенных бактерий, определяющих плодородие почвы, оказывает вредное воздействие на живые организмы растительного и животного мира. Так, кадмий, проникая в человеческий организм, накапливается в печени, почках и селезенке, что приводит к образованию камней в почках, вызывает анемию и снижает содержание кислорода в крови. Избыток меди откладывается в мозговой ткани, коже, печени и поджелудочной железе. Отмечено множество заболеваний раком легких среди медников. Хром и никель являются весьма канцерогенными веществами, вызывающими опухолевые процессы. Другие тяжелые металлы, применяемые в гальванотехнике, при попадании в организм человека аккумулируются и также могут вызывать различные заболевания. 

Все вышеперечисленные тяжелые металлы обладают хромофорными свойствами и являются составляющими промышленных керамических пигментов. Их миграционная способность и токсическая активность в синтезированных минеральных пигментах уменьшается до допустимых значений за счет высокотемпературного синтеза образующихся нерастворимых шпинелей, силикатов и других соеденений. Поэтому использование соеденений этих металлов для производства керамических пигментов разрешено контролирующими органами. С использованием гальванических шламов для изготовления керамических пигмнетов решается не только экологическая прблема, но и появляется возможность уменьшить на 30-70% или полностью исключить расход дорогостоящих, дефицитных, не имеющих своей сырьевой базы соеденений тяжелых металлов. Это снизит себестоимость изготовления минеральных пигментов черного, коричневого и сине-зеленого цветов. С учетом вышеизложенного представлялось актуальным изучить возможность применения гальванических шламов некоторых предприятий Донецкой области для производства керамических пигментов. 

В качестве объектов иследования взяты отходы гальванических производств Донецкого завода "Точмаш" (ДЗТ) и Торезского электротехнического завода (ТЭЗ). Отходы представляют собой шламы с содержанием воды до 30%: ДЗТ - зеленого цвета, ТЭЗ - коричневого цвета. Цвет шлама определяется наличием тех или иных красящих компонентов и их количеством. 

После сушки (110-120 о С) отходы представляют собой порошки светло-зеленого и светло-коричневого цветов соответственно. Методом рентгенофазного анализа зафиксировано наличие в отходах карбонатов и сульфатов кальция, гидроксидов хрома, никеля, железа. Исследования свойств гальванических шламов показало, что шламы не только разных производств, но даже и в пределах одного производства, отобранные из разных точек шламоотстойника, существенно различаются по химическому составу. Поэтому отходы перед изучением необходимо тщательно усреднять. Методами хмимического анализа установлен состав гальванических шламов (табл.3). 

Изготовление образцов производили по следующей методике. Шлам высушивали при температуре 100-120 оС до остатачной влажности 0.5-1.0%. Исходные компоненты шихты (шлам в виде порошка, хромофорные оксиды) дозировали весовым методом в необходимом соотношении согласно рецептуре. Шихту измельчали и смешивали сухим способом в фарфоровой ступке до полного прохождения через сито 01. Обжиг пигмента осуществляли в муфельной печи при температуре 960-980 оС с выдержкой при максимальной температуре 0.5-1.0 часа. После обжига производили помол пигмента мокрым способом с добавлением дистиллированной воды. Дисперсность измельченного продукта: остаток на сите 0056 не длолжен превышать 1.0%. Отмывку пигмента от непрореагировавших в прцессе обжига растворимых в воде соединений производили водой, подогретой до 70-80 оС, до отрицательной реакции на наличие растворимых солей. Продукт сушили при температуре 100-150 оС. После этого пигмент подвергали сухому измельчению (для разбивки образовавшихся агрегатов) до тонкости, характеризующейся остатком на сите 0056 не более 1%. 

Из чистых шламов получены пигменты, дающие следующую цветовую окраску: ТЭЗ - грязно-бледно-зеленую, ДЗТ - более интенсивную и чистую, тоже зеленую. В шихту для получения пигмнта в качестве минерализатора вводили добавку борной кислоты в количестве 2% сверх 100%, поскольку оксид бора не только снижает температуру синтеза пигмента, но и оказывает положительное влияние на хромофорные свойства пигментов, повышает чистоту цвета и интенсивность окраски. 

Для определения оптимальной температуры синтеза пигментов произведен обжиг в муфельной печи при разных температурах: 900, 950, 1000, 1050, 1100, 1150 оС. Установлено, что при 900 оС получается слабо спеченный продукт, из которого позднее в процессе приготовления глазурного шликера выделяется значительное количество растворимых солей, что свидетельствует о незавершенном процессе синтеза пигмента. 

При температуре 1100 оС и выше происходит сильное спекание продукта до остекловывания. Оптимальная температура обжига находится в интервале 950-1000 оС и позволяет получить нормально спеченный продукт, в котором в достаточной степени произошли процессы разложения карбонатов, гидроксидов, сульфатов, образования новых соеденений (типа FeO*Cr2O3, NiO*Cr2O3, CaO*Cr2O3 и других, в основном шпинельной структуры), твердых растворов. Температура обжига влияет также на чистоту и интенсивность окраски пигмента. В целом наблюдается общая тенденция к ослаблению окраски с повышением температуры синтеза пигмента выше 1000 оС. Кроме того, полученные при этом твердые спеки пигментов требуют увеличения продолжительности помола, что тем не менее, не всегда позволяет получить продукт требуемой степени дисперсности. С другой стороны, между дисперсным составом пигмента и его калористическими свойствами имеется качественная связь, поскольку рассеивание света кристаллами пигмента находится в непосредственной зависимости от его дисперсности. Повышение дисперсности пигмента способствует насыщенности тона и яркости краски. Кроме того, повышение дисперсности ведет к усилению реакционной способности пигмента при взаимодействии с глазурью, увеличению химической устойчивости к воздействию кислот и щелочей, снижению чувствительности к температурным перепадам. 

Для расширения цветовой гаммы в состав пигментов вводили дополнительно хромофорные оксиды (никеля, хрома, железа, кобальта) в количестве от 10 до 60%. Для получения глазурногопокрытия на керамических изделиях в прозрачную фритту (борно-щелочную) вводили пигмент в количестве 6% и Часов-Ярскую глину в количестве 4% (сверх 100). 
Пигменты на основе шлама ДЗТ и оксида железа имеют некрасивую грязно-зеленую окраску, на основе шлама и оксида хрома - зеленую, на основе шлама и оксида никеля - коричневую. С увеличением количества хромофорного оксида цвет пигмента становится темнее. 

Наиболее удачными являются пигменты:

  • зеленые, содержащие 40-50% Cr2O3, 60-50% шлама ДЗТ;
  • коричневые, содержащие 40-50% NiO b 60-50% шлама ДЗТ.

Они обладают достаточно чистыми и яркими окрасками. При одновременном добавлении к шламу ДЗТ оксидов железа и никеля оттенок пигмента меняется от грязно-зеленого к коричневому в зависимости от соотношения хромофорных оксидов. Пигменты на основе шлама ДЗТ при добавлении оксида никеля дают горчичную окраску, при добавлении оксида хрома - оливковую, при одновременном введении оксидов кобальта и хрома - темно-зеленую. В ходе исследований предпринята попытка получить пигменты черного цвета. 

Наиболее удачными являются окраски пигментов черного цвета следующих составов:

  • 85% шлама ДЗТ, 5% Fe2O3, 6.5% CoO, 3.5% Mn2O3;
  • 70% шлама ТЭЗ, 10% Fe2O3, 11% CoO, 9% Mn2O3;
  • 30% шлама ТЭЗ, 40% Fe2O3, 10% CoO, 20% Cr2O3.

Проведенные исследования позволили сделать следующие выводы. Шламы гальванических производств целесообразно использовать в качестве сырья для получения керамических пигментов. Для расширения цветовой гаммы пигментов в шихту для их получения необходимо дополнительно ввдить красящие оксиды. Предложены рецептуры зеленого, коричневого, черного пигментов на основе гальваношламов. 

Разработана технология их производства. Получение пигментов на основе шламов гальванических производств позволяет не только решить важную экологическую проблему утилизации отходов, но и расширить сырьевую базу для производства керамических пигментов.

Скачать файл - Использование гальванических шламов при производстве керамических пигментов