книги из ГПНТБ / Фурмер, И. Э. Общая химическая технология учеб. пособие

При недостатке микроэлементов в почве не только снижается уро­ жай, но и получается продукция с недостаточным содержанием микро­ элементов. Использование ее для питания человека и животных может вызвать ряд заболеваний.

Микроудобрения вносят в почву в очень небольших количествах. Достаточно 0,5—1,5 кг на 1 га для того, чтобы повысить урожай и качество получаемых продуктов. Рис. 58 иллюстрирует результаты

ный купорос (CuS04). Это высокоэффективное, но пока дорогое удоб­ рение. Вместо него можно использовать отходы производства серной кислоты — колчеданный огарок, низкосортные медные руды и др.

держащий молибден (молибденизированный суперфосфат), трехокись молибдена (Мо03).

§ 46. Ядохимикаты

Химическая защита растений от вредителей, болезней, сорняков имеет исключительно важное значение.

Появление саранчи и других вредных насекомых всегда считалось народным бедствием — после них оставались опустошенные поля, огороды, сады. Потери от вредителей и болезней растений в некоторых странах составляют от 10 до 80% урожая. Тяжелым трудом является

ядохимикатов имеет огромное народнохозяйственное значение: оно спо­ собствует повышению урожайности, сохранению запасов и увеличе­ нию производительности труда в сельском хозяйстве. Ядохимикатами являются органические и неорганические вещества, в состав которых входят соединения мышьяка, фтора, хлора, серы, фосфора, ртути, меди и др.

Ядохимикаты должны обладать возможно большей ядовитостью для насекомых и грибковых организмов, но быть безвредными для человека и животных.

По назначению ядохимикаты делятся на инсектициды — средства борьбы с насекомыми, фунгициды — средства борьбы с грибковыми заболеваниями растений, гербициды — средства для уничтожения сорной или нежелательной растительности, дефолианты — средства

150

Для удаления листьев хлопчатника, свеклы и других культур перед уборкой их машинами.

И н с е к т и ц и д ы действуют либо через пищеварительные ор­ ганы насекомых, либо оказывают действие, попадая на поверхность их тела, либо впитываются в соки растений и делают их ядовитыми Для насекомых. Инсектициды применяют в виде порошков (дустов) Для опыления, в виде растворов для опрыскивания или дымов для окуривания растений с помощью машин или сельскохозяйственной авиации.

В качестве инсектицидов используются соединения мышьяка: NaAs02, Ca(As02)2, Ca3 (As04)2, Na3 As04, Cu(CH3 COO) 2 •3Cu(As02)2;

соединения, в состав которых входит хлор: ДДТ (дихлордифенилтрихлорэтан СС13 СН(СвН 5 С1)2, гексахлоран СвН6 С10; соединения фос­ фора: тиофос (C2 H 5 0)2 PS0C6 H4 N 02 и др.

Ф у н г и ц и д ы применяются для опрыскивания, опыливания и окуривания растений и семян. Наиболее известными фунгицидами являются медный купорос, молотая сера, бордосская жидкость — смесь раствора медного купороса и известкового молока, сулема

растительности при подготовке участков к пахоте (гербициды сплош­ ного действия) или к прополке (гербициды избирательного действия). В качестве гербицидов нашли применение растворы медного купороса, раствор железного купороса (FeS04), порошок цианамида кальция (CaCNj), производные феноксиуксусной кислоты (СвН 5 ОСН2 СООН) и др.

Д е ф о л и а н т а м и являются цианмид кальция, пентахлорфенолят натрия (CeCI5 ONa).

Помимо указанных сельскохозяйственных ядохимикатов, для по­

предохраняющие продукты растительного и животного происхожде­ ния от порчи микроорганизмами, з о о ц и д ы — средства для унич­ тожения грызунов и других вредных животных.

К о н т р о л ь н ы е в о п р о с ы

1.Какие элементы имеют наибольшее значение для жизнедеятельности растений?

2.Какими элементами обедняется почва при выращивании урожая сельско­

хозяйственных культур?

3.Что называют минеральными удобрениями и как их классифицируют?

4.Какие преимущества имеют концентрированные и комплексные удо­ брения?

5.Назовите важнейшие месторождения природных минералов, содержащих соединения фосфора и калия.

6.Какие способы получения фосфорной кислоты вам известны?

7. С какой целью фосфорит и апатит обрабатывают серной или фосфорной кислотой? Что называют простым и двойным суперфосфатом?

8. Начертите схему работы суперфосфатной камеры.

151

9. Что называют термофосфатом, плавленым фосфатом, томасшлаком?

10.Какие свойства аммиачной селитры затрудняют ее хранение и приме­ нение как удобрения?

11.Почему нейтрализатор в производстве аммиачной селитры назван ап­

паратом ИТН?

12.Какое применение в сельском хозяйстве и в промышленности получил карбамид (мочевина)? Напишите реакцию его получения.

13.В чем заключается переработка сильвинита?

14.Какие комплексные удобрения вам известны?

15.Какие элементы вносят в почву с микроудобрениями?

16.Приведите классификацию ядохимикатов.

Г Л А В А XII

ТЕХНОЛОГИЯ СИЛИКАТОВ

Изделия силикатной промышленности в большинстве случаев содер­ жат силикаты, алюмосиликаты или другие соли кремневой кислоты. Их получают путем термической или термохимической переработки силикатного сырья.

Промышленность силикатов включает три основные отрасли: п р о ­ и з в о д с т в о к е р а м и к и , в я ж у щ и х в е щ е с т в и с т е к л а . Эти отрасли выпускают разнообразные материалы и из­ делия, имеющие огромное значение для народного хозяйства. Различ­ ные строительные материалы (кирпич, черепица, облицовочные пли­ ты, огнеупоры), химически стойкие материалы, электро-, тепло- и звукоизоляционные материалы, технические и хозяйственные изделия из фарфора и фаянса, листовое стекло, изделия из стекла для электро-, радио-, телевизионной и оптической промышленности, химическая и хозяйственная посуда, кварцевое стекло, хрусталь, растворимое стекло, стекловолокно, пеностекло, разнообразные вяжущие веще­ ства, цемент и строительные детали из него, кислотоупорные вяжущие материалы — все это продукты силикатной промышленности, без ко­ торых невозможна жизнь современного человека.

К силикатной промышленности относится также производство химически стойких материалов литьем расплавленных горных пород (диабаза, базальта) и металлургических шлаков. В последнее время, сочетая этот метод со специальной термической обработкой, изготов­ ляют стеклокерамику.

§ 47. Керамика

К е р а м и к о й называют изделия, изготовленные из смесей, в которых основным материалом является глина. Изделия получают формованием или отливкой. Отформованное изделие сушат и обжи­ гают до спекания.

В зависимости от исходного материала и назначения керамику подразделяют на следующие основные группы: 1 ) с т р о и т е л ь ­ н а я — к ней относятся строительный кирпич и блоки из него, кро­

152

храняющие свои механические свойства при температуре выше 1000°С и предназначенные для изготовления и футеровки печей, топок и других аппаратов, работающих в условиях высокотемпературного нагрева; 4) т о н к а я — изделия главным образом из фарфоровой и фаянсовой глины (хозяйственная и химическая посуда, художествен­ ные и декоративные изделия, раковины и умывальники, изделия для электротехники); 5) с п е ц и а л ь н а я — изделия для радио- и авиа­ промышленности, приборостроения и т. д.

По характеру излома — черепка керамику подразделяют на п о- р и с т у ю (впитывающую влагу) и со с п е к ш и м с я ч е р е п ­ к о м (дает блестящий раковистый излом, не впитывающий влагу).

Сырьем для изготовления керамики служат различные по составу природные глины. Основным минералом, входящим в состав глин, является каолинит А12 0 3 -2Si02 -2Н2 0. В чистом виде каолинит встре­ чается редко. Обычно в глинах в различных соотношениях содержатся алюмосиликаты, окислы железа, кальция, магния, щелочных метал­ лов.

Важнейшее свойство глины — пластичность. Глина с определенным количеством воды образует пластичную массу, которой может быть придана любая форма, сохраняемая после прекращения внешнего

трещины и большую усадку (уменьшение размеров изделия). Тощие глины плохо формуются, но при обжиге дают малую усадку, и изделие из них при этом не деформируется. Чтобы получить массы с опреде­ ленной пластичностью, смешивают жирные и тощие глины в опреде­ ленных соотношениях или к жирной глине добавляют отощающие вещества, чаще всего кварц, песок.

Изготовление керамических изделий. Изготовление керамических

тонкий помол и смешение компонентов смеси. Цель подготовки и сме­ шения исходных материалов — получение однородной массы.

П р и г о т о в л е н и е к е р а м и ч е с к о й м а с с ы заклю­ чается в смешении сырья с некоторым количеством воды до получения массы определенной консистенции.

Приготовление массы осуществляется в шнеках-смесителях, сме­ сительных бегунах, мешалках. Полученный в смесителях замес по­ ступает на формование изделий.

Ф о р м о в а н и е и з д е л и й производится одним из следую­ щих способов, отличающихся по содержанию воды в замесе: сухим (воды в замесе 3—7%); полусухим (воды в замесе 7— 16%); пластич­ ным (воды в замесе 16—32%).

153

Формование изделий ведется в механических и гидравлических прессах. При пластичном способе формования применяют главным образом шнековые прессы (рис. 59). В рабочем цилиндре пресса вращается шнек 3. Керамическая масса загружается в цилиндр при помощи вальцового питателя, перемещается шнеком справа налево и выдавливается через отверстие определенной формы 4. Так форму­ ются простые и пустотелые кирпичи, трубы и т. д.

Тонкую и специальную керамику часто формуют специальным методом литья жидкой массы (называемой шликером), содержащей

Рис. 59. Шнековый пресс:

1 — материал, 2 — воронка, 3 — шнек, 4 — мундштук

30—35% воды, в гипсовые сосуды и формы, впитывающие воду. Час­ тицы суспензии оседают на стенках формы, образуя отформованное изделие. Для изготовления некоторых керамических изделий приме­ няют формование на гончарном круге, а иногда и ручное формование.

С у ш к у о т ф о р м о в а н н ы х к е р а м и ч е с к и х и з д е ­ л и й проводят в естественных условиях воздухом или чаще дымовы­ ми газами в сушилках различных типов: камерных, подовых, туннель­

ных.

О б ж и г — наиболее ответственная стадия производства керами­ ческих изделий, завершающая технологический процесс. При обжиге происходят сложные физические и химические процессы: удаление механической и гигроскопической влаги, удаление химически свя; занной, гидратной воды и собственно обжиг, при котором керамическая масса изделий приобретает твердый черепок. Для этих процессов необходим определенный температурный режим, зависящий от вида материала и изделия. Отклонение от температурного режима приводит к образованию трещин, короблению и сплавлению готовых изделий. Так, обыкновенный строительный кирпич обжигают при 1050—1100°С, огнеупорные изделия — при 1350 — 1650° С, кислотоупорную керами­ ку — при 1250—1350°С.

Обжиг керамических изделий осуществляют в печах периодичес­ кого или непрерывного действия.

Значительное распространение получили туннельные печи непре­ рывного действия. Такая печь (рис. 60) представляет собой длинный канал 3 (до 160 м), имеющий внутри рельсовый путь, по которому

154

движутся плотно сомкнутые вагонетки-платформы 1 с изделиями для обжига. Печь имеет три зоны: подогрева, обжига и охлаждения кера­ мических изделий. Вначале вагонетки входят в зону подогрева, где из изделий удаляется влага и гидратная вода за счет тепла топочных газов, отходящих из зоны обжига. Затем вагонетки входят в зону обжига, расположенную в середине туннельной печи, и из зоны об­ жига поступают в зону охлаждения, где обожженные изделия остыва­ ют, нагревая поступающий в эту зону холодный воздух. Нагретый

воздух по каналам 2 подается в зону обжига для горения газообраз­ ного топлива, поступающего через горелки 4. Температура в зоне обжига поддерживается в пределах 1100—1500°С.

В туннельных печах загрузка и выгрузка изделий механизирова­ на, подачу на горение газообразного топлива и воздуха регулируют автоматически. Использование тепла отходящих из зоны обжига топочных газов для подогрева поступающих в печь изделий и тепла обожженных изделий для подогрева холодного воздуха, поступающего

взону обжига, значительно снижает расходы топлива.

Сразвитием высокотемпературных процессов в металлургии, хи­ мической промышленности и энергетике все большее применение по­

кой огнеупорностью, т. е. существенно не изменять своих механиче­ ских свойств при действии высоких температур; химической устойчи­ востью, т. е. не взаимодействовать с агрессивной средой, с кислыми или основными расплавленными шлаками, горячими газами и т. д.; термической устойчивостью, т. е. выдерживать многократные колеба­ ния температуры в широких пределах.

Применяют в основном следующие три группы огнеупорных ма­ териалов: кремнекислые, хорошо противостоящие кислым шлакам,

155

поэтому они названы кислыми огнеупорами; алюмосиликатные, вы­ держивающие слабокислую и нейтральную среду; магнезитовые, при­ меняемые для основной и нейтральной среды.

Из к р е м н е к и с л ы х огнеупоров наибольшее применение получили динасовые, содержащие не менее 93% Si02. Динасовые огнеупоры используют при кладке и футеровке металлургических и

Шамотные огнеупорные изделия пригодны для слабокислых и нейт­ ральных сред, но плохо сопротивляются действию основных шлаков. Огнеупорность шамотных изделий колеблется в пределах 1580—1770° С.

М а г н е з и т о в ы е огнеупоры содержат не менее 85% MgO, они проявляют высокую устойчивость к действию основных шлаков, но плохо сопротивляются колебаниям температуры, огнеупорность их выше 2000°С. Магнезитовые огнеупоры применяют для кладки металлургических печей.

Из керамических материалов с большой химической устойчиво­ стью изготовляют всевозможные аппараты и детали для коммуника­ ций химических заводов: реторты, баллоны, трубопроводы, змеевики, облицовочные плиты и т. д.

§ 48. Вяжущие вещества

Минеральные вяжущие вещества представляют собой порошко­ образные продукты, обычно сложного состава, которые при смешива­ нии с водой, а в некоторых случаях с водными растворами солей дают пластичную массу (тесто), превращающуюся через некоторое время в твердое тело — искусственный камень. Этот переход из пластично­ го состояния в твердое называется с х в а т ы в а н и е м . Твердение вяжущих веществ связано с протеканием физико-химических процес­ сов, которые приводят к образованию новых веществ и новой струк­ туры.

Благодаря способности твердеть вяжущие вещества широко при­ меняются в строительном деле для связывания (цементирования) кирпичей, плит, блоков и других строительных деталей.

Вяжущие вещества по назначению и свойствам подразделяются на воздушные, гидравлические и кислотоупорные. Воздушные вяжу­ щие вещества затвердевают и сохраняют прочность только на воздухе, гидравлические — на воздухе и в воде, кислотоупорные — после твердения устойчивы к действию минеральных кислот.

Воздушные вяжущие вещества. К воздушным вяжущим веществам относятся воздушная известь, гипсовые и магнезиальные вяжущие материалы.

В о з д у ш н у ю и з в е с т ь получают обжигом известняка. При этом протекает эндотермическая реакция разложения известняка:

Са С 03 = СаО + С 02 — Q (XII, 1)

156

Обжиг известняка производится в известково-обжигательных пе­ чах. Различают следующие виды строительной воздушной извести: 1) негашеную комовую известь-кипелку, состоящую главным образом из СаО и представляющую собой пористые куски белого или серого Цвета; 2) негашеную молотую известь — измельченную комовую из­ весть; 3) пушонку — тонкий порошок, состоящий в основном из Са(ОН)2 и получаемый гашением комовой извести по реакции

СаО + Н20 = Са (ОН)а + Q (XII, 2)

(содержание влаги в пушонке не более 5%); 4) известковое тесто — пластичную массу, состоящую в основном из Са(ОН)2 и получаемую гашением комовой извести с применением избытка воды.

Для предотвращения растрескивания в процессе твердения из­ вести к ее смеси с водой (замесу) добавляют песок. Процесс тверде­ ния замеса воздушной извести объясняется испарением механически связанной воды, кристаллизацией гидрата окиси кальция Са(ОН)2 и его карбонизацией — поглощением С02, содержащейся в воздухе, по реакции

Са(ОН)2 + C02 = CaC03 + H20 (XII, 3)

Образующийся при этом СаС03 связывает зерна песка.

Воздушную известь применяют для каменной кладки, в штукатур­ ных работах, в производстве кирпича, блоков, плит, в качестве вя­

сернокислого кальция CaS04 путем их обжига. В зависимости от тем­ пературы обжига получают различные продукты: строительный, или полуводный, гипс CaSO4-0,5H2O (температура обжига 120—200°С), гипсовоангидритный цемент — безводный сернокислый кальций CaS04 (температура обжига 500—700°С) или другие продукты.

Процесс твердения гипса при замешивании его с водой объясняется образованием вновь из полуводного сульфата кальция двухводного:

из солей — NaHS04, Na2S04, NH4C1, FeS04, являющихся катали­ заторами в процессе его твердения. Без катализатора безводный CaS04 не будет вяжущим веществом. Прибавление катализатора создает условия для гидратации (присоединения воды) и кристаллиза­ ции CaS04, в результате чего происходит твердение.

Гипс применяется для штукатурных работ, для формовки орна­ ментов, статуй, для получения искусственного мрамора и плит, для изготовления перегородок в строительстве. Гипсовоангидритный це­ мент применяют для изготовления полов, лестничных площадок, пустотелых камней.

К м а г н е з и а л ь н ы м в я ж у щ и м в е щ е с т в а м отно­ сятся каустический магнезит MgO и каустический доломит, содержа­ щий наряду с MgO неразложившийся СаС03 и небольшое количество

157

СаО. Их получают обжигом магнезита MgC03 или доломита CaC03-MgC03 в шахтных или вращающихся печах при 800—850° С.

Обожженный материал измельчают в шаровой мельнице и затво­ ряют в отличие от других вяжущих веществ не водой, а раствором хло­ ристого магния, так как при затворении водой образуется медленно схватывающийся материал малой прочности. Полученный таким обра­ зом магнезиальный цемент хорошо связывает добавленный к нему наполнитель. Из магнезиального цемента изготовляют жернова, лест­ ничные ступени, фибролит — спрессованные в виде плит и связанные цементом древесные стружки (их применяют в строительстве для изготовления перегородок), ксилолит — материал, представляющий собой древесные опилки, асбест, тальк и др., связанные цементом (применяют для изготовления плит полов, подоконников и т. д.).

Гидравлические вяжущие вещества. К ним относят гидравличе­ скую известь, портландцемент, глиноземистый цемент и вяжущие вещества, содержащие гидравлические добавки.

П о р т л а н д ц е м е н т — важнейший гидравлический вяжу­ щий материал, получивший широкое применение в строительстве. Он обладает большой механической прочностью, стойкостью на воздухе

ипод вфиой, морозостойкостью.

Всостав портландцемента входят образованные из окислов мине­ ралы., важнейшие из которых трехкальциевый силикат 3Ca0-Si02 (37—.60%), двухкальциевый силикат 2 C a0 -S i0 2(15—37%), трехкаль­ циевый алюминат ЗСа0-А120 3 (7—15%), четырехкальциевый алюмо-

феррит 4СаО • А120 3-Fe20 3 (10—18%) и окись магния. Исходные материалы для получения портландцемента берутся в таком соотно­ шении, чтобы при обжиге их образовались именно эти мине­ ралы.

Сырьем для производства портландцемента служат природные известковые мергели (смесь глины со значительным количеством карбонатов кальция и магния) или искусственные смеси материалов, содержащих известь и глину; последнюю можно заменить доменным шлаком, трепелом и др.

При изготовлении портландцемента исходные материалы тонко измельчают, точно дозируют, замешивают с тем или иным количест­ вом воды (в зависимости от способа подготовки сырья) и подвергают обжигу до спекания (температура 1400—1450° С), при этом получают спек, называемый к л и н к е р о м . Тонко измельченный клинкер и представляет собой готовый продукт. Часто в процессе измельчения клинкера к нему примешивают гидравлические добавки.

Таким образом, в производстве портландцемента можно выделить основные стадии: 1) подготовку сырья и получение полуфабриката — клинкера; 2) помол клинкера с добавками, обеспечивающими опре­ деленные свойства портландцемента; 3)его складирование и упаковку.

Сырье к обжигу готовят двумя способами — мокрым и сухим. В соответствии с этим и способы производства портландцемента под­ разделяют на мокрый и сухой.

158

шламом и содержащую 35—40% воды. Полученный шлам поступает в обжиговую печь.

При с у х о м с п о с о б е сырье высушивают, тонко измельчают и смешивают. Полученная сырьевая мука немного увлажняется и поступает на обжиг.

Мокрый способ обеспечивает хорошее перемешивание материа­ лов, уменьшает их распыление, но при этом увеличивается расход топлива на обжиг, поскольку необходимо испарить значительное количество воды из шлама.

О б ж и г сырьевой смеси производят в барабанных вращающихся печах, отапливаемых пылевидным топливом (угольной пылью),. га-

Исходное сырье

размол

Рис. 61. Вращающаяся печь:

/ — питатель, 2 — печь, 3 — холодильник

зообразным топливом или мазутом, сжигаемым внутри печи. На рис. 61 показана схема производства цементного клинкера. Барабанная,печь 2 Длиной до 200 м и более вращается со скоростью 1,0—1,5 об/мин. Печь поставлена с небольшим углом наклона так, чтобы обжигаемый материал перемещался в печи. Шлам подается питателем 1 в припод­ нятую часть печи и выгружается из печи в виде спекшегося материала— клинкера. Топочные газы движутся противотоком по отношению к сырьевой смеси. Вначале по ходу смеси происходит испарение воды'из шлама, затем протекают процессы разложения гидратов (дегидрата­ ция) и известняка (декарбонизация) с образованием СаО и, наконец, взаимодействие СаО с другими окислами, в результате чего образуют­ ся минералы, входящие в состав клинкера.

Таким образом, в печи можно различить три зоны: 1) сушку и по­ догрев, 2) кальцинацию (900—1200° С) и 3) спекание (1300—1450° С).

Для охлаждения клинкера служит холодильник — вращающийся барабан 3, в котором клинкер охлаждается холодным воздухом. Нагретый при охлаждении клинкера воздух идет в печь на горение топлива. Охлажденный клинкер вылеживается на складе в течение 10—15 суток, где он перелопачивается при помощи грейферного крана, и затем поступает на тонкий размол в трубные цементные мельницы. Хранят готовый цемент в железобетонных силосах — хранилищах. Цемент отправляют потребителю без тары (навалом) в автоили же-

159