Скачать (16,9 Кб)

Такой незнакомый знакомец

Кандидат технических наук К. А. Смирнова
Химия и Жизнь №2, 1987 г., с. 46-49

Трудно найти вещество, более привычное, чем этот вязкий полупрозрачный раствор - самый распространенный, хотя, определенно, не самый лучший клей для бумаги. Не лучший - потому, что образованная им клеевая пленка недостаточно эластична, да и цвет ее скорее все-таки желтый, чем белый (а лучше бы она была вообще бесцветной). А самым распространенным этот клей стал потому, что дешев. Канцелярский силикатный клей - водный раствор силиката натрия (Na₂O·nSiO₂) - широко используется во всем мире. Сырья - природных силикатов - сколько угодно, способ производства - элементарный.

Итак, водный раствор силиката натрия, именуемый в повседневности силикатным клеем...

ЧТО ТАМ, В РАСТВОРЕ

В очень разбавленных растворах силикат натрия распадается на катионы Na+ и мономерные анионы кремневой кислоты (SiO₃)^2-. В концентрированных же растворах анионы находятся в виде полимерных цепочек, построенных из традиционных для силикатов кремнекислородных тетраэдров. Между ними - гидроксилы.

Плотность и вязкость этих растворов сильно зависят от их концентрации. В конторском клее собственно силиката натрия обычно бывает от 35 до 40 %, остальное вода. Плотность раствора в этих случаях колеблется от 1,42 до 1,45 г/см³, а вязкость - от 0,5 до 2 пуаз. При дальнейшем увеличении концентрации - из-за испарения воды, например вязкость клея быстро растет: при 45-50 %-ной концентрации она становится больше десятка пуаз.

Удаляя воду из раствора силиката натрия, легко превратить его в аморфное твердое тело. Остаток воды в нем оказывается химически связанным. Будучи замороженным, силикатный клей после оттаивания полностью восстанавливает первоначальные свойства.

Затвердевшие растворы силиката натрия отличаются высокой стойкостью к действию концентрированных кислот. В концентрированной кислоте они не только не теряют прочности, но, напротив, приобретают дополнительную. В растворах же силикат натрия химически активен - реагирует с большинством неорганических и органических соединений. Под действием кислот, хлоридов и некоторых других веществ раствор силиката натрия превращается в силикагель - важнейший сорбент. Из физических свойств растворов силиката натрия самое важное для практики - это хорошая адгезия почти к любым поверхностям. Отсюда клеющая способность силикатного клея. У сил адгезии - физическая природа. Известно, что на поверхности твердых веществ молекулы связаны в меньшей степени, чем внутри. Когда на такую поверхность наносят силикатный клей, между ними возникают силы молекулярного сцепления. Вода клея адсорбируется на склеиваемых поверхностях, из-за чего плотность и вязкость клеевого шва резко повышаются. Нарушается равновесие частиц, цепочки кремневой кислоты удлиняются, уплотняются, перепутываются, происходит процесс поликонденсации, и образуется прочный адгезионный шов.

Чем быстрее удаляется вода (тоньше пленка, выше температура), тем быстрее затвердевает клеевой шов, свойства которого определяются свойствами образующейся при этом поликремневой кислоты. Практически важно, что под действием воды поликремневая кислота разрушается. Катионы натрия из клея, реагируя с водой, образуют щелочь, которая и вызывает деструкцию молекул поликремневой кислоты. Оттого клеевой шов раствора силиката натрия без специальных добавок оказывается неводостойким. Смысл добавок: связать катионы натрия из клея и воду в нерастворимые комплексные соединения. Добавок такого рода известно много: фосфаты, фториды, оксиды и гидроксиды металлов II и III групп, некоторые органические вещества.

ОТХОДЫ - В ТОТ ЖЕ РАСТВОР

Не только в качестве конторского клея интересны для нас водные растворы силиката натрия. В эти растворы можно загнать огромное количество производственных отходов - шлаков, шламов, золы и пр., превратив их тем самым в ингредиенты различных полезных композиций, как твердых, так и жидких.

Например, композиция из равных количеств перемолотого доменного шлака и раствора силиката натрия представляет собой водостойкий клей для соединения крупных элементов строительных конструкций.

Раствор силиката натрия способен связывать в единый монолит крупицы различных неорганических материалов. Если отходы, содержащие силикаты, алюмосиликаты или карбонаты, тщательно измельчить (до удельной поверхности 3000-4000 см²/г), а затем смешать с 10-25%-ным раствором силиката натрия, получится монолит, достаточно быстро твердеющий в естественных условиях или при пропарива-нии. Твердению помимо поликонденсации способствует обменная реакция между катионами натрия из силиката и катионами, входящими в состав отходов.

Аналогичные материалы получены из шлаков черной и цветной металлургии, из отходов обогатительных фабрик. Годятся и золы ГРЭС и ТЭЦ, и непригодный для земледелия грунт. Весьма существенно, что связующее из таких отходов и раствора силиката натрия получается при температуре в десятки раз более низкой, чем температура образования портландцементного клинкера. Следовательно, их изготовление требует намного меньших энергозатрат. Высокопрочные бетоны такого типа получены из шлаков Запорожского, Криворожского, Ново-Тульского, Чимкентского, Макеевского, Чусовского, Череповецкого и других металлургических заводов.

Бетон, в котором связующим служит не портландцемент, а в сущности конторский клей, выпускается на нескольких заводах. Например, железобетонный завод объединения "Кривбассруда" изготовляет из этого материала сборные силосохранилища, фундаменты, лотки водосбросов, тротуарные плиты. Из смеси пиритных огарков (80-90 %) с раствором силиката натрия (10-20%) предложено делать строительные панели, твердеющие на воздухе.

Строительную керамику светлых тонов обычно получают из белой глины, но можно получать ее и из смеси суглинка, топливных шлаков, битого стекла и - все того же раствора силиката натрия...

БЫВШИЕ ОТХОДЫ СБЕРЕГАЮТ ТЕПЛО

Теплоизоляционные материалы промышленного назначения часто делают пористыми, поскольку удельная теплопроводность воздуха мала.

И здесь пригодилось свойство вязких растворов силиката натрия при нагревании до 200-300°С вспучиваться, увеличиваясь в объеме в 5-8 раз. До 90% образующихся при этом пустот - замкнутые. Вспучивание материала происходит из-за того, что вода не может свободно улетучиваться из раствора вследствие его высокой вязкости и образования плотной корки на поверхности.

Из смеси различных промышленных отходов (35-50%) с раствором силиката натрия (40-60%) получают гранулы диаметром до 10 мм, которые сушат и одновременно вспучивают при 250-300°С. Получается легкий пористый материал, отличающийся хорошими теплоизоляционными свойствами. Такие же гранулы могут стать легким заполнителем для бетонов, из которых формуют штучные теплоизоляционные изделия. Здесь приемлемы и волокнистые отходы сельскохозяйственного производства - стебли хлопчатника, камыш, жом сахарного тростника, а также древесные опилки и стружка. Органические отходы могут использоваться как самостоятельно, так и в смеси с минеральными. А связующее все то же - силикат натрия.

Если же в это связующее в качестве наполнителя ввести огнеупорные шлаки производства ферросплавов, можно получить высокотемпературные изоляционные материалы для промышленных аппаратов.

Схема тетраэдрического строения силикатов и структурная формула полимер-аниона кремневой кислоты

Технология - примерно та же, что и в производстве строительных бетонов на силикатном связующем. Полученные изделия уплотняют вибрацией. Но даже при этом энергозатраты на производство такой теплоизоляции в несколько раз меньше, чем традиционной керамики.

Предложено немало других термостойких композиций из отходов - такая, например: железохромовый шлак (37%), кварцевый песок (37%) и раствор силиката натрия (26%). Все это перемешивают, и смесь наносят на поверхность агрегата распылением. Такая футеровка работает под нагрузкой при температуре до 1270°С, выдерживая при этом 35 температурных перепадов нагрев - охлаждение.

ДРУГИЕ ПРЕДНАЗНАЧЕНИЯ

Многие аппараты химической промышленности делают из кислотоупорных материалов или используют соответствующие покрытия. Как уже знает читатель, поликремневая кислота, образующаяся при твердении растворов силиката натрия, устойчива к действию концентрированных кислот. Значит... Нужно только подобрать наполнитель, тоже устойчивый к действию кислот и найти способ сделать эту изоляцию непроницаемой для паров и жидкостей.

Ввели в массу, подобную описанным в предыдущей главе, полимерную добавку - менее одного процента смеси фурилового спирта с водорастворимой фенолрезольной смолой. Получили кислотостойкий полимербетон. В Воскресенске на производственном объединении "Минудобрения" уже несколько лет работает бак, покрытый изнутри такой композицией: в нем готовят 56%-ную серную кислоту. Бак работает под давлением и при довольно высокой температуре (до 150°С).

Из растворов силиката натрия, наполненных измельченными отходами обогатительных фабрик, прессуют воздухопроницаемые плиты для станций аэрации, а также дренажные трубы. В обоих этих случаях бывшие отходы служат делу охраны природы...

Жизнь грунтовой дороги можно продлить покрытием из смеси грунта (50-70%) с феррохромным шлаком (11 - 20%), золой (3-8%) и раствором силиката натрия (10-20%). Подобным же составом "склеивают" грунты - так отходы становятся эффективным средством борьбы с оползнями. Раствор впрыскивают в укрепляемый грунт порциями в несколько приемов. Таким же образом из смеси кварцевого песка с раствором силиката натрия делают литейные формы для металлургии. А деревья после обрезки предохраняют от гибели, нанося на срез все тот же силикатный раствор. Образующаяся пленка непроницаема для грибков. Подобным же способом можно продлить жизнь строительных конструкций, деревянной тары, изделий из картона.

И ЕЩЕ РАЗ ОБ ОТХОДАХ

О силикате натрия можно рассказать еще многое: о том, к примеру, что он входит в состав стиральных порошков, или о роли изготовленного из него силикагеля в современном катализе. Но лучше закончить эти заметки традиционно важной для "Химии и жизни" темой отходов, их рационального использования. Ибо - раствор силиката натрия тоже можно и нужно получать из отходов. Для этого годится любое сырье, в котором содержание SiO₂ не меньше 75-80 %: кремнеземистая пыль, распространенный во многих местах нашей страны перлит, не очень чистый речной песок и даже зола, образующаяся при сжигании рисовой шелухи - в ней 91 % SiO₂.

Эти отходы, или, если хотите, сырье, обрабатывают раствором щелочи при температуре 100-150°С и желательно под давлением - для интенсификации процесса. Щелочь может быть любая, в частности поташная смесь, образующаяся как побочный продукт алюминиевого производства, или отработанный щелок целлюлозно-бумажных предприятий. Последний предварительно смешивают с горячей водой, а затем упаривают, чтобы повысить концентрацию.

Раствор силиката натрия, образующийся в результате обработки одних отходов другими, может быть с успехом использован практически во всех описанных выше производствах. А еще раствор силиката натрия образуется как побочный продукт при получении титана и глинозема. Этот раствор также может быть употреблен с большой пользой...

Обо всем этом нам хотелось рассказать на страницах массового журнала потому, что пока в нашей стране растворы силиката натрия знают прежде всего лишь как конторский клей. А возможности его - куда шире. Вот мы и решили привлечь к этому обыкновеннейшему из веществ внимание читателей, в том числе тех, кто работает технологами, экономистами, проектировщиками... Может, заинтересуются?