Опираясь на фундаментальные принципы физики, химии и термодинамики, предложенные решения демонстрируют, что устойчивое развитие и бережное отношение к окружающей среде могут быть достигнуты даже в рамках действующих технологических схем – за счёт переосмысления инженерных подходов и применения уже известных, но недооценённых ресурсов (например, остаточного тепла, инертных масс, природных фильтров и энергетических барьеров).
Публикуемые идеи могут служить отправной точкой для инициатив в сфере НИОКР, создания патентно-защищённых разработок, адаптивных решений и технических усовершенствований, особенно в рамках программ импортонезависимости, развития зелёной экономики и технологического суверенитета.
1. Утилизация фосфогипса само распространяющимся высокотемпературным синтезом (СВС) огнеупорных изделий.
В настоящее время на территориях компаний по производству фосфорной кислоты скопился огромный запас старых лежалых отходов производства, с которым компании не знают, что делать, и которым является фосфогипс – основной компонент – сульфат кальция.
Старый, лежалый фосфогипс, прежде всего, вследствие загрязненности фосфатными, фтористыми и другими соединениями, не находит непосредственной полной утилизации и накапливается в значительных количествах на специальных полигонах. Переработка его представляется довольно трудной и энергозатратной проблемой.
При этом проблема утилизации и хранения фосфогипса в настоящее время наиболее остро актуальна для любой компании.
Рассмотрим сами физико-химические свойства самого фосфогипса и порассуждаем, что можно сделать.
В составе фосфогипса преобладает физический мелко дисперсионный песок, содержится большое количество кальция (до 30 % в расчете на элемент), серы (до 24,3 %), неразложившихся фосфатов (до 4 %), а также кремний (около 0,3 %) и немало микроэлементов.
Примерный химический состав фосфогипса известен:
CaO – 39-40 %;
SO3 – 56-57 % ;
Р2О5 общ – 1,0-1,2 %;
Р2О5 вод -0,5-0,6 % ;
R2O3 – 0,5-0,6 %;
F – 0,3-0,4 %;
нерастворимого осадка – 0,7-0,8 %.
Известно также, что сульфат кальция разлагается при температуре выше 1450 С, образуя оксид кальция, оксид серы и кислород.
Старый лежалый фофсогипс по своим физико-химическим характеристикам фосфогипс является идеальным наполнителем для строительных бетонов. Но именно из-за загрязненности фосфатными, фтористыми и другими соединениями фосфогипс не находит применения. Слишком энергетически затратны технологии по его очистке, которые заключаются в промывке, обжиге для удаления вредных соединений и т.п.
Высокотемпературный огнеупор
Обратим внимание на получение высокотемпературного огнеупора, в котором главная составляющая представлена оксидом щелочного металла второй группы (берилий, магний, кальций) периодической системы Д.И. Менделеева, а именно – оксид кальция.
Практические работы в этом направлении не проводятся. Это связано с высокой гидратационной способностью таких огнеупоров, где главная составляющая представлена оксидом кальция. Такой огнеупор должен иметь температуру спекания выше 1700 градусов. Чем выше температура спекания – тем меньше гидратационной способности.
При этом характерно, что аналог оксида кальция – оксид магния является основным видом огнеупоров (периклаз), который относится также ко второй группе периодической системы Д.И. Менделеева и лишён этого основного недостатка.
Оксиды магния и кальция образуют однотипные кристаллические структуры и имеют близкие температуры плавления. Особенность оксида кальция в том, что невозможно получить высокопрочный огнеупор при полном спекании с температуры ниже 2000 градусов без введения дополнительных спекающих добавок или двух стадийного обжига, что приводит к значительному удорожанию готовой продукции по сравнению с периклазом – оксидом магния. Получается, для получения высококлассного огнеупора необходима температура спекания выше 2000 градусов, что ограничивает их получение.
Где можно взять бесплатно оксид кальция?
Приведённый состава фосфогипса позволяет предположить, что он сможет стать практически бесплатной заменой магнезитовым наполнителям для огнеупоров, применяемых сейчас в производственных процессах с высокими температурами, например, в металлургии.
Предлагается способ утилизации фосфогипса с одновременным получением высокопрочного огнестойкого материала методом направленного послойного самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) с использованием:
– Металлического алюминиевого порошка (восстановитель),
– Фосфогипса CaSO4·2H2O (наполнителя),
– Жидкого стекла (в качестве связующего при формовании заготовки до начала синтеза).
Типовая формула смеси
– Фосфогипс – 75 % масс.
– Порошок алюминия – 25 % масс.
– Раствор жидкого стекла