Спосіб виготовлення скла, скло, виготовлене цим способом, та його застосування

1. Спосіб виготовлення скла на основі сировини у вигляді суміші головним чином мінераловмісних компонентів, згідно з яким сировину після попередньої обробки пресують у сухі брикети, які піддають твердінню, а потім плавлять, і розплав охолоджують та висушують, отримуючи скло, в якому масова частка неорганічних компонентів зі шламу складає більше ніж 30 мас.%, який відрізняється тим, що під час попередньої обробки: - виготовляють суміш мінераловмісних компонентів зі шламу та одного чи декількох інших мінераловмісних відходів та/або природних порід, - термічно розкладають розчинні у суміші органічні матеріали, та - доводять вміст води у суміші до масової частки, яка становить 20-35%, переважно 27-33%. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що як шлам використовують шлам очисних заводів. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що плавлення брикетів здійснюють у печі з подачею кисню. 4. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що брикети плавлять, використовуючи додаткову енергію від спалювання пального у кількості, масова частка якого складає максимально 10% від кількості брикетів, які плавлять. 5. Спосіб за пп. 1 або 4, який відрізняється тим, що брикети мають щільність 1,2-1,3 г/см3. 2 (19) 1 3 74802 4 14. Скло за будь-яким з пп. 7-13, яке відрізняєть15. Застосування скла за будь-яким з пп. 7-14 для ся тим, що має твердість за Вікерсом HV100 ≥ 600. піскоструминної обробки за умови, що це скло фракціоновано. Винахід стосується способу виробництва скла на основі сировини у формі суміші головним чином мінераловмісних компонентів, згідно з яким основний матеріал після первинної попередньої обробки пресують у брикети, які отверджують, а потім плавлять, наприклад, у печі при подачі кисню, а розплав охолоджують та висушують. Винахід також стосується сорту скла, виробленого на основі сировини у формі суміші головним чином мінераловмісних компонентів. Крім того, винахід стосується використання виготовлених таким чином композиції та скла. Фахівцям загальновідомо, що у більшості індустріальних країн шлам від міських очисних заводів створює велику проблему: стосовно відходів. Шлам, наприклад, може утворюватися при хімічній обробці стічних вод, які потім зневоднюють. Зневоднений шлам типово містить 70-80% води, 1015% органічної речовини та 10-15% мінеральних компонентів. Відходи шламу у рідкому або у висушеному вигляді можна використовувати як добрива на оброблюваній землі. Вміст шламу, наприклад, важкі метали, залізо та фосфати алюмінію низької розчинності не утилізуються культурами і таким чином є ризик просочування цих речовин у грунтові води або руйнування структури фунту. Як варіант, висушені відходи шламу можуть відкладатися у дуже великих смітниках. Просторові обмеження для смітників припускають, що такі ділянки повинні бути відкритими. Коли шлам осаджується, можливо наявні важки метали та мікроелементи розчиняються та забруднюють навколишнє середовище. Часто використовуваним способом знищення шламу є його спалювання. Таким чином, отриманий попіл треба кудись поміщати. Вищезазначені важки метали, фосфати алюмінію і феруму тепер легко виявляються у попелі, і результатом відкладення попелу будуть такі вищезазначені проблеми як вилуговування та просочування. До цього треба додати, що теплотворність висушеного шламу дуже маленька в порівнянні з теплотворністю традиційного палива. Наприклад, можна зазначити, що висушений шлам має теплотворність-1213МДж/кг, що складає приблизно половину тієї, що дає деревина. Таким чином, така незначна теплотворність означає, що висушений шлам дуже рідко використовують як джерело енергії. Промисловість створює велику кількість відходів, які дуже рідко повторно використовують і таким чином також створюють вагому та коштовну проблему, пов'язану з відкладенням. Повторним використанням вищезазначених відходів можна зменшити зростання ділянок для відкладення та, таким чином, необхідність у все більших коштах на це. Отже, є потреба у економічно вигідному шляху повторного використання великої кількості відходів для того, щоб зменшити потребу у ділянках відкладення і вимоги до них, не створюючи в той самий час відкладного матеріалу, який містить речовини, небезпечні для навколишнього середовища та здоров'я. Перша ціль винаходу полягає у створенні комерційно придатного скла з високою твердістю та зносостійкістю, в якому використовують шлам та велику кількість відходів від процесів промислової переробки, і в якому вміст шламу та відходів мінераловмісних, небезпечних для навколишнього середовища та здоров'я речовин є невпливаючим для середовища. Друга ціль винаходу полягає у способі виробництва такого скла. Новими та особливими властивостями згідно з винаходом, завдяки яким цього досягають, є той факт, що попередня обробка, згадана на початку розділу включає виробництво суміші мінераловмісних компонентів зі шламу, наприклад, від очисних заводів, та одного чи декількох інших мінераловмісних відходів та/або природних порід. Якщо один чи декілька мінераловмісних відходів та/або природні породи містять великі компоненти, їх можна переважно зменшити у розмірі до введення у суміш, для чого готують пористу суміш, яка може легко аеруватися. Коли кисень вводять до такої суміші, вона буде самозайматися, та вміст у шламі жирів, білків та розчинних вуглеводнів буде розщеплятися до води та СО2 при температурі приблизно 60-70°С. Вищезазначена термічна обробка суміші мінераловмісних компонентів буде в подальшому називатися мінералізацією. Повне розщеплення жирів, білків та розчинних вуглеводнів типово буде завершено на 20-40 добу. Після первинної обробки вміст води у суміші встановлюється між 20 та 35% за масою, а краще між 27 та 33% за масою. Регулюванням вмісту води, суміш стане придатною для пресування у брикети, розміри яких понад 60мм у особливо кращому втіленні. Якщо вміст води у брикетах вище 35% за масою, брикети не будуть твердими або здатними зберігати однорідну структуру. З вмістом води менше 20% за масою, буде відбуватися сегрегація, що недоцільно зменшить міцність брикетів. Однорідні брикети запаковують та найкраще використовують у наступному процесі згоряння, наприклад, у печі з піддувом. Встановленням вмісту води у брикетах як описано вище, наступне отвердіння брикетів можна оптимально проводити так, щоб брикети зберігали однорідну структуру. Отвердіння, наприклад, може проводити при температурі 75-110°С до тих пір поки брикети набувають вмісту води 15-20% за масою. 5 74802 6 Прикладами вигідних умов отвердіння є ответній для повного розплавлення брикетів без наяврдіння при температурі 110°С протягом 3 годин, ності додаткового палива. або отвердіння при 80°С протягом шості годин. В Утворений розплав охолоджують, внаслідок обох випадках отримали брикети з незатверділим чого формується шлак, який щонайменш частково центром та затверділою оболонкою. гранулюється сам. Цей шлак складається з 100% Завдяки цьому отвердінню, виробляють негігскла, тобто часто зафарбований у чорний колір роскопічні брикети з твердим покриттям та щільнізавдяки вмісту оксидів заліза. стю 1,2-1,3г/см3. Гранульований шлак можна потім подрібнюваЗавдяки гігроскопічним властивостям брикетів, ти та розділяти на менші частки, розмір яких залевони добре зберігаються. Завдяки їх винятковому жить від розглянутого далі застосування. Розділені твердому покритті, вони можуть витримувати інтечастки можна, якщо бажано, фракціонувати за нсивну механічну обробку. Таким чином, можливо розміром для того, щоб зробити специфічні фракзберігати безперервно виготовлені брикети і таким ції особливо придатними до наступного призначином переважно безперервно ліквідувати відхочення. ди. Постановкою ряду вимог стосовно хімічного Брикети розплавлюють в умовах окислення у складу мінераловмісних компонентів, що утворюпечі, використовуючи відомі технології, доводячи ють частину сировини скла, можна забезпечити таким чином загальний вміст мінеральних речовин скло, що має міцність, яка більша ніж 600, за шкарозплаву до оксидної форми. Прикладом відомої лою міцності Vickers. технології може бути вказана Anderson технологія, Згідно з метою винаходу, сировина містить яка відома з патенту US 3729198, але також можна крім того шлам від, наприклад, очисних заводів, а використовувати інші форми плавлення. також один або декілька інших мінераловмісних Під час плавлення втрачають лише незначну відходів з промисловості. Ці відходи можуть, накількість таких елементів, як сірка, цинк або хлор, приклад, створювати частину сировини тільки як тому що вони можуть відщеплюватися як сублімадодаткові мінераловмісні компоненти. ти. Як перший варіант, сировиною вищезазначеБрикети розплавлюють у скло при температурі ної суміші може бути суміш, яка складається зі 1400-1500°С, а специфічна структура брикетів з шламу, мінераловмісних компонентів та природнетвердим центром та дуже твердою оболонкою, них порід. За іншим варіантом сировинна суміш спричиняє реакції згоряння, які проходять як у може містити шлам та природні породи. центрі так і на поверхні брикетів. Коли брикети Для того, щоб задовольнити вимоги до хімічпредставлені у вищевизначеній формі та розмірах, ного складу скла, необхідно знати хімічний склад реакції згоряння матиме місце у проміжках між всіх складових частин мінераловмісних компоненупакованими брикетами у печі. тів. Навіть запасом енергії брикетів у формі неТакі знання можуть переважно та недорого бурозчинної органічної речовини, який є меншим, ніж ти отримані аналізом мінераловмісних компонентів запас енергії традиційного палива, можливо розпза допомогою рентгенофлуоресценції. лавить брикети з мінімальним введенням додатЗмішування різноманітних мінераловмісних кового палива, контролюючи кисневмісні запаси компонентів може потім базуватися на результаповітря. Кращим паливом є кокс, який у вигідній тах їх аналізу, щоб засобами описаного вище спореалізації не використовують у кількості більше, собу можна було виробити скло, у якому більш, ніж 10% за масою від кількості брикетів, які не буніж 30% за масою неорганічних компонентів похоли розплавлені. дить зі шламу. Інша особливість способу за винаходом поляПриклади мінераловмісних компонентів відхогає в тому, що брикети мають запас енергії достадів: Уламки автомобілів: Окалина: Відливний пісок: Гранат: Сілікат алюмінію: Корунд: Тугоплавкі брикети МgО: Шамотні брикети: Попіл від полівінілхлориду: Паперові відходи: легка фракція від зламаних автомобілів окисна окалина від прокатки сталі використаний відливний пісок, включаючи фурановий та бентонітовий пісок використаний, піскоструминно оброблений пісок гранатового типу (альмандин, сілікат AI, Fe та Mg) використаний, піскоструминно оброблений пісок використаний, піскоструминно оброблений пісок, головним чином у формі скла від шлакового осаду від електроенергетичних заводів тугоплавкий рідкий метал або формовані циглини, головним чином зроблені мінеральним оксидом магнію (МgО) тугоплавкі матеріали, зроблені сіліманітом сіліката алюмінію та каоліном разом з малою кількістю кварцу наповнювач від піролітичного полівінілхлориду, який складається з суміші ТіО2, СаСО3, каоліну, (AI2SiO4(OH)) та тальку (MgSiO4(OH)) відходи від виробництва паперу, які містять волокно деревини та такий мінераловмісний паперовий наповнювач, як вапно, каолін та тальк. Такі відходи можуть містити великі компоненти, які повинні бути розділені на менші частки до початку мінералізації. Хімічний склад скла може бути розрахована за відомим хімічним складом індивідуальних мінераловмісних компонентів, які складають частину скла 7 74802 8 та які переважно комбінують, беручи до уваги ряд Для того, щоб отримати збалансоване співвідхімічних вимог, які мають на увазі, що скло тверде ношення між діоксидом силіцію, триоксидом діата що вміст мінералів, які є шкідливим для навколюмінію та відмінним триоксидом, хімічний склад лишнього середовища та здоров'я, зроблено невскла повинен також задовольняти таким вимогам, пливаючим на навколишнє середовище. щоб силікатний модуль Вміст мінералів у склі при плавці доводять до SiO2 оксидної форми і масова частка утворених мінеM Al2O3 ральних оксидів SiO2, AI2O3, Fe2O3, CaO, MgO та складав 2,2-3,2, а модуль феруму Р2О5 разом складає щонайменше 90% від маси Fe2O3 скла, а у особливо найкращему варіанті вищевкаM Al2O3 зані мінеральні оксиди разом мають масову частку у склі щонайменше 95%. складав 0,56-1,00. Для отримання скла, що має вищевказаний Коли вимоги до хімічного складу витримані, хімічний склад, твердість вище, ніж 600 за шкалою скло буде мати специфічну густину 2,7-3,1г/см3, твердості Vickers, і в якому вміст мінералів, які є краще 2,8-3,0г/см3, а особливо 2,9г/см3. шкідливим для навколишнього середовища та Коли вимоги до хімічного складу витримані, здоров'я, зробили невпливаючим, співвідношення скло головним чином складається з мінеральних СаО/Р2О5 у склі повинно крім того задовольняти оксидів, вказаних у таблиці 1 нижче. Скло також нерівності: повинно мати дуже малий вміст мікроелементів. масова частка СаО 1,33 масової частки Р2О5 Вміст цих мікроелементів у склі представлений на (масова частка СаО - 1,33* масової частки таблиці 2. Ці мікроелементи можуть бути токсичР2О5 масова частка MgO ними або канцерогенними, але їх зроблено невпмасову частку SiO2 ливаючими на навколишнє середовище, коли скло яке в подальшому називається основністю (В,) виробили за допомогою способу згідно винаходу. повинне бути в межах 0,15-0,50 у випадках коли (масова частка СаО - 1,33* масової частки МgО)>0 Таблиця 1 Оксиди мінералів SiO2 АІ2О3 Fe2O3 СаО MgO MnO2 TiO2 P2O5 K2O Na2O Інші Вміст у склі 35-50% за масою 15-25% за масою 5-15% за масою 5-20% за масою 1-10% за масою < 1% за масою < 3% за масою 1-10% за масою < 2% за масою < 2% за масою < 5% за масою Скло, в якому витримані вищевказані вимоги для хімічного складу вмісту мінеральних оксидів та яке вироблене за допомогою способу згідно з винаходом, можна найвигідніше використовувати як засіб для обдування при піскоструйній обробці. Як варіант, гранульований шлак можна розплавити та використати для виготовлення шлакової вати. Крім того скло, у випадках, де його не використовують, можна повторно використовувати як мінераловмісні відходи у склі згідно з винаходом. За допомогою способу згідно з винаходом виготовляють скло, в якому небезпечні для навколишнього середовища та здоров'я речовини є нездатними вилуговуватися. Таким чином, скло також можна використовувати як наповнювач для багатьох цілей, наприклад, у бетоні та асфальті. Завдяки різним формам застосування скла згідно з винаходом і повторному використанню мінераловмісних відходів можна зберегти значну кількість коштовної сировини. Якщо зменшується все зростаюча кількість ві Таблиця 2 Мікроелементи Sb Pb Cd Sn As Be Cr Co Ni Вміст у склі < 0,007% за масою Токсичні мікроелементи < 0,020% за масою < 0,009% за масою < 0,043% за масою < 0,009% за масою Канцерогенні < 0,007% за масою мікроелементи < 0,001% за масою < 0,007% за масою < 0,022% за масою дходів, значно зменшується потреба у смітниках. У наступних прикладах сумішей сировини, частина відходів від промисловості та їх відкладення складає більше, ніж 95% за масою. Хімічний склад усіх типів відходів відомий та визначений за допомогою рентгенофлуоресценції. Далі термін шламовий попіл застосовують до висушеного, термообробленого, зневодненого шламу. Інші мінераловмісні компоненти зазначено з використанням вищевказаних позначень. Приклад 1 (у лабораторному масштабі) Сировина складається з суміші 34,4% за масою шлакового попелу та 13,8% за масою уламків, які спалюють, та додають 23,8% за масою відливного піску, 4,0% за масою брикетів тугоплавкого МgО, 5,6% за масою використаного АІ2О3 та 18,4% за масою крейди. Суміш подрібнюють до частинок, розміром менше, ніж 0,2мм та нагрівають у платиновому тигелі або лабораторній печі при 1450°С протягом 6 годин. Результатом є розплав, який гранулюють після охолодження у воді. Поляризаційна мікроскопія показує, що розплав є чорним склом з густиною 9 74802 3,0г/см3 та з хімічним складом, який представлено на таблиці 3 нижче: Таблиця 3 Мінерал SiO2 АІ2Оз Fe2O3 CaO MgO MnO2 TiO2 P2O5 K2O Na2O SrO масова частка у склі в % 43,4 14,5 9,2 18,1 5,4 0,1 0,6 7,3 0,9 1,0 0,3 10 SO3 Інші 0,03 100,8% за масою Отримане таким чином скло, має основність Βi=0,32, модуль феруму Мi=0,63 та силікатний модуль Ms=1,85, та таким чином задовольняє вимогам для хімічного складу. Скло аналізували на вилуговування при рН4 та рН7, відповідно. Вилуговування здійснювали у 100л води на кілограм скла протягом 3 годин. Згідно зі звичайно використовуваним стандартним способом від "Vandkvalitetsinstitut" (=Інститут якості води) у Данії, зразки від обох вилуговувань об'єднані та проаналізовані за допомогою атомноабсорбційної фотометрії та у графітовій печі. Далі наведені результати вилуговування: Таблиця 4 Мінерал Сr Cd Ni Pb Sb Be Co Sn Mo Cu Вилужена концентрація у чнм < 0,1 0,02 0,8 0,06 0,08 < 0,04 4,2 0,18 0,4 72 У таблиці 4 показано, що вилужена тільки дуже мала частина первинного вмісту елементів. Приклад 2 (у масштабі дослідного заводу) Сировина містить суміш з 33% за масою шлакового попелу та 10% за масою відливного піску, 6% за масою сталевого гравію, 4,0% за масою брикетів тугоплавкого MgO, 11% за масою використаного гранату, 20% за масою мінералізованого шламу, 8% за масою використаного АІ2О3 та 8% за масою вапна. Суміш подрібнюють до частинок, розміром менше, ніж 3мм та повністю плавлять у пілотній газовій обертовій печі при 1490°С. Результатом є розплав, який гранулюють після охолодження у воді. Отримане скло висушують, подрібнюють та просівають до фракції з розміром часток 0,4-1,4мм. Просіяну фракцію тестували як засіб для піскоструйної обробки сталі 18/8 та сталі 37, відповідно. Відповідний тест здійснювали з корундом (НV100=1800) та силікатом алюмінію (HV100=600) при піскоструйній обробці. Результати виконаних тестів представлені на супроводжувальних Фіг.2 та Фіг.3. На Фіг.1 показано результати при піскоструйній обробці сталі 18/8, де засобом для піскоструйної обробки є скло, виготовлене у прикладі 2, силікат алюмінію та корунд відповідно, та На Фіг.2 показано результати при піскоструйній обробці сталі 37, де засобом для піскоструйної обробки є скло, виготовлене у прикладі 2, силікат первинна масова частка у % < 0,02 1 0,4 0,03 0,15