Максимизировать использование бытовых отходов, образующихся при производстве перекиси водорода, в производстве высокоэффективных

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 12817 (2022) Цитировать эту статью

568 Доступов

Подробности о метриках

Высококачественный алюминатно-кальциевый цемент (КАЦ) успешно синтезирован из бытовых глиноземных отходов и известняка в мягких реакционных условиях. Минералогический состав и микроструктуру спеченных смесей исследовали методами рентгеновской дифракции и ФЭСЭМ; Помимо фазы С3А, обнаруженной в смесях с высоким содержанием СаСО3, наблюдались ценные цементирующие фазы, такие как СА, СА2 и С12А7. Смесь СА60, содержащая 60 мас.% отходов глинозема, достигла наилучшей спекаемости (пористость менее 1 об.%) и наибольшего уплотнения (насыпная плотность ~ 2,65 г/см3) при 1450 °С. Были исследованы уплотнение, прочность на холодное сжатие (CCS) и микроструктура образцов гидратированного цемента (из смеси CA60). Образцы литого цемента показали лучшие характеристики плотности и CCS (63,1 и 74 МПа на 7 и 28 сутки соответственно) по сравнению с товарным цементом. Обычные бетонные изделия (5 × 5 × 5 см3) готовили из смесей, состоящих из 15 мас.% цемента и 85 мас.% заполнителей (40% Al2O3), где использовали СА60 и коммерческий цемент для сравнения эффекта произведенного цемента СА60 с коммерческим цементом. один. Литые изделия, изготовленные с использованием цемента CA60, показали более высокую прочность при 110 °C (4,5 МПа) по сравнению с коммерческим CAC при той же температуре (1,8 МПа). Соответственно, это исследование способствует не только сохранению окружающей среды от накопления промышленных отходов, но также повышению ценности этих отходов.

Огнеупоры — это традиционные керамические материалы, которые могут выдерживать высокие температуры без разрушения. Они используются в больших количествах для облицовки сосудов, в которых производятся материалы с высокими температурами, такие как цемент, стекло и металлы. Основными целями использования огнеупорных материалов являются снижение потерь энергии в печах и сглаживание теплового потока через материалы внутри этих печей1. Огнеупорные материалы состоят из агрегатных фаз больших размеров (до сантиметров), скрепленных более мелкими фазами (иногда субмикрометрами) и связующим веществом2. По физическому состоянию огнеупорные материалы делятся на два вида (1) неформованные огнеупорные литые изделия (монолитные) и (2) фасонные огнеупорные кирпичи3. Монолиты представляют собой необожженные материалы с разным размером частиц, которые скрепляются огнеупорным кальциево-алюминатным цементом и заливаются непосредственно на место монтажа.

Кальциево-алюминатный цемент (CAC) является важным цементом гидравлического схватывания, который действует как связующее вещество для огнеупорных бетонных изделий; его использование в качестве связующего связано с его высокой огнеупорностью, наличием фаз с отличной гидратационной способностью и хорошей эксплуатацией в агрессивных средах4. Он состоит в основном из моноалюмината кальция (CaAl2O4 (CA)) как высшего и наиболее важного компонента, диалюмината кальция (CaAl4O7 (CA2)), который появляется в более низких концентрациях, майенита (Ca12Al14O33 (C12A7)) и негидравлических фаз, таких как 3CaO·Al2O3 (C3A). ), CaO·6Al2O3 (CA6), корун, дум и геленихат могут появиться в зависимости от точного соотношения CaO/Al2O3. Помимо высокой температуры плавления (около ~ 1600 °C), фаза СА обеспечивает высокую механическую прочность за короткий период гидратации. Несмотря на то, что фаза СА2 демонстрирует немного более высокую температуру плавления (~ 1700 ℃) по сравнению с фазой СА, первая имеет длительное время затвердевания и обеспечивает низкую механическую прочность; следовательно, СА2 не может существовать в качестве основного компонента КАЦ и обычно присутствует в качестве вторичной фазы в глиноземистом цементе с СА. Легкоплавкая фаза C12A7 (~ 1430 °C) имеет быструю скорость затвердевания и гидратации, а ее присутствие в качестве вторичной фазы в глиноземистом цементе может легко изменять и контролировать его характеристики цементирования2,5,6,7,8.

Одной из наиболее важных особенностей CAC является достижение примерно 80–90% его конечной прочности всего за 24 часа. Это, в свою очередь, позволяет использовать его в различных областях применения огнеупорных и неогнеупорных материалов, таких как военные объекты, оживленные места и подземные работы9. Во многих других областях применения, таких как канализация10,11, защитные покрытия10,11, расширяющиеся растворы и химические строительные продукты10,11, используется CAC в сочетании с обычным портландцементом (OPC) для более раннего достижения требуемого времени схватывания9,10,11,12 ,13. По сравнению с портландцементом годовое производство CAC довольно невелико из-за его высокой себестоимости и нехватки источников глинозема. Таким образом, использование цемента на основе алюмината кальция в повседневном применении не может конкурировать с портландцементом. Несмотря на это, CAC незаменим для конкретных применений, в которых он превосходит портландцемент по характеристикам. Например, обычный бетон, производимый CAC, продемонстрировал выдающуюся прочность, а также отличную устойчивость к высоким температурам, истиранию и многим химически агрессивным условиям8,14. Кроме того, при производстве CAC выбросы CO2 ниже, чем при производстве портландцемента15.