Методическое пособие 798
.pdf
Выпуск № 2 (46), 2017 |
ISSN 2541-7592 |
Для проведения эксперимента были приготовлены водные растворы NaОН и HCI с рН от 1 до 12. Затем они были разбавлены в 2 раза раствором некаля с концентрацией 1,17 ммоль/л. При таком способе приготовления рабочих растворов обеспечивалось равенство содержания некаля во всех пробах. Затем в каждую колбу вносили одинаковые навески воздушно-сухого анионита, взятые на аналитических весах с точностью 0,0002 г, и перемешивали постоянно в течение 8 ч. Через сутки после разделения фаз измеряли оптическую плотность исходных и равновесных растворов при равных исходных значениях рН, затем находили концентрацию некаля по градуировочным графикам.
Результаты адсорбции представлены на рис. 7.
а, ммоль/г
200
150 Рис. 7. Зависимость 
адсорбции некаля анионитом Wofatit AD-41
от рН раствора
100 
0 2 4 6 8 10 12 14
рН
Экспериментально показано, что уменьшение сорбции некаля имеет место как в сильнощелочной, так и в сильнокислой средах. Более заметное падение сорбции прослеживается при повышении рН, то есть в щелочной среде. Это объясняется способностью щелочных растворов десорбировать некаль из анионита. На наш взгляд, уменьшение сорбции обусловлено свойствами именно анионита, так как в этом интервале влияние рН на состояние некаля не имеет места. В сильно щелочной среде анионит сжимается, что затрудняет перенос молекул в анионит.
Выводы
1.Показано, что реакция среды оказывает значительное влияние на процесс сорбции из воды природных и синтетических анионоактивных ПАВ. Зависимость органоемкости анионитов от рН имеет сложный характер. В системе у обоих реагирующих компонентов (анионита и ФК) изменяется степень ионизации функциональных групп. Этот процесс сказывается на механизме сорбции обоих ПАВ, которые могут поглощаться как в результате дисперсионных взаимодействий с инертной матрицей анионита (физической адсорбции), так и за счет ионного обмена. Последний реализуется только в том случае, если молекулы ПАВ находятся
ввиде анионов, то есть диссоциированы, как и функциональные группы поглотителя, что не при всех значениях совпадает.
От степени ионизации зависит не только состояние ПАВ (это катион, анион или цвит- тер-ион), но и влагосодержание анионита. Оно определяется долей ионизированных молекул, так как только ион, имеющий заряд, гидратируется молекулами воды. Большая влагоемкость сорбента в некоторых системах увеличивает скорость поступления поглощаемого вещества в его поры. Это обусловило при значении рН (3…5) высокие коэффициенты диффузии и константы скорости сорбции и, как следствие, максимальную эффективность очистки воды.
2.Найденный экспериментальным путем, теоретически подтвержденный и обоснованный интервал рН обрабатываемой воды позволил рекомендовать место расположения сорбционных фильтров в технологической цепочке в зависимости от способа предварительной обработки воды.
Так, очистка воды от ПАВ будет малоэффективной после ее умягчения содовым, содовоизвестковым, оксалатным, натронным методами, а также ионообменным Na-катионированием воды, после которых рН смещается в щелочную сторону.
Однако осветленная вода после коагуляции примесей солями алюминия и железа имеет слабо кислую реакцию, так как уменьшается концентрация гидрокарбонатов в результате их
61
Научный журнал строительства и архитектуры
взаимодействия с образовавшимися соляной и серной кислотами при гидролизе солейкоагулянтов, что обеспечивает высокую эффективность очистки воды от ПАВ.
В системе обессоливания воды целесообразно фильтры с анионитами-поглотителями органических веществ располагать после водород-катионитовых фильтров, что обеспечит значение рН около 3-х единиц, то есть рН максимальной сорбционной активности анионитов любого типа.
Библиографический список
1.Альберт, А. Константы ионизации кислот и оснований / А. Альберт, Е. Сержент. — М. — Л.: Химия, 1964. — 179 с.
2.Аширов, А. Ионообменная очистка сточных вод, растворов и газов / А. Аширов. — Л.: Химия. — 1983. — 295 с.
3.Варшал, Г. М. Изучение органических веществ поверхностных вод и их взаимодействие с ионами металлов в связи с миграцией загрязняющих веществ в объектах внешней среды / Г. М. Варшал, И. Я. Кощеева, И. С. Сироткина // Органическая геохимия вод и поисковая геохимия. — М.: Недра, 1982. — С. 202—212.
4.Гельферих, Ф. Иониты / Ф. Гельферих. — М.: ИИЛ, 1962. — 490 с.
5.ГОСТ 23732-2011. Вода для бетонов и строительных растворов. Технические условия. — М.: Стандартинформ, 2012. — 16 с.
6.Гребенюк, В. Д. Обессоливание воды ионитами / В. Д. Гребенюк, А. А. Мазо. — М.: Химия, 1980. —
256 с.
7.Данченко, Н. Н. Определение кислотных групп гумусовых веществ титриметрическими методами / Н. Н. Данченко, И. В. Перминова, А. В. Гармаш, В. С. Петросян // Рефераты докладов XVI Менделеевского съезда. — 1998. — Т. 3. — С. 79.
8.Касьяненко, В. И. Исследование отравляемости анионитов гумусовыми веществами природных вод / В. И. Касьяненко, В. А. Вакуленко, А. Б. Пашков, А. М. Прохорова // Теплоэнергетика. — 1980. — № 6. — С. 25—27.
9.Ковалева, О. В. Расчет эффективного радиуса органических ионов и молекул по концентрационным зависимостям плотности водного раствора / О. В. Ковалева // Xl Всероссийская науч.-практ. конф. студентов и аспирантов «Химия и химическая технология в XXl веке», 14—16 мая 2008 г. — Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. — С. 159—160.
10.Кононова, М. М. Органическое вещество почвы. Его природа, свойства и методы изучения / М. М. Кононова. — М.: Изд-во АН СССР, 1963. — 314 с.
11.Куренкова, О. В. Сорбционное извлечение анионного ПАВ дибутилнафталинсульфоната натрия из подземных и сточных вод: автореф. дис. … канд. хим. наук: 03.02.08: защищена 04.02.2011: утв. 10.06.2011 / Ольга Валерьевна Куренкова. — М., 2011. — 18 с.
12.Либинсон, Г. С. Физико-химические свойства карбоксильных катионитов / Г. С. Либинсон. — М.: Наука, 1969. — 111 с.
13.Лиштван, И. И. Физико-химическая механика гуминовых веществ / И. И. Лиштван, Н. Н. Круглицкий, В. Ю. Третинник. — Минск: Наука и техника, 1976. — 264 с.
14.Мамченко, А. М. Очистка питьевой воды от гумусовых соединений сильноосновными анионитами / А. М. Мамченко, М. С. Новоженюк, Е. Б. Крыжановская // Химия и технология воды. — 1997. — Т. 19, № 2. — С. 136 —140.
15.Полянский, Н. Г. Методы исследования ионитов / Н. Г. Полянский, Г. В. Горбунов, Н. Л. Полянская. — М.: Химия, 1976. — 208.
16.СанПиН 2.1.4. 1074—01. Санитарные правила и нормы качества питьевой воды. — М.: Федеральный центр Госсанэпиднадзора, 2002. — 103 с.
17.Славинская, Г. В. Экологические аспекты сорбционной очистки воды от органических веществ гумусовой природы / Г. В Славинская // Сорбционные и хроматографические процессы. — 2003. — Т. 3, вып. 2. — С. 232—237.
18.Славинская, Г. В. Сорбционная очистка воды от фульвокислот сочетанием анионитов разного типа / Г. В. Славинская, Н. С. Кузнецова // Сорбционные и хроматографические процессы. — 2003. — Т. 3, вып. 4. — С. 455—459.
19.Славинская, Г.В.Константы ионизации фульвокислот / Г. В. Славинская // Почвоведение. — 2004. —
№1. — С. 68—70.
20.Славинская, Г. В. Физико-химическое обоснование и реализация процессов удаления гумусовых кислот из водных растворов методом препаративной хроматографии: автореф. дис. …. д-ра хим. наук: 05.11.11: защищена 02.12.2003; утв. 16.01.2004 / Славинская Галина Владимировна. — Воронеж, 2003. — 48 с.
62
Выпуск № 2 (46), 2017 |
ISSN 2541-7592 |
21.Славинская, Г. В. Расчет размера ионов в водных растворах / Г. В. Славинская // Сорбционные и хроматографические процессы. — 2007. — Т. 7, вып. 5. — С. 774—779.
22.Славинская, Г. В. Выявление механизма сорбции некаля анионитами в разной ионной форме / Г. В. Славинская, О. В. Куренкова // Сорбционные и хроматографические процессы. — 2010. — Т. 10, вып. 5. —
С. 695—703.
23.Славинская, Г. В. Возможность сокращения расхода реагентов при очистке природных вод от органических веществ в обессоливающих установках / Г. В. Славинская, О. В. Ковалева // Экология и промыш-
ленность России. — 2010. — № 1. — С. 26—29.
24.Славинская, Г. В. Очистка природной и обессоленной воды от органических веществ / Г. В. Сла-
винская // Научный Вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. — 2010. — № 1 (17). —
С. 81—91.
25.Славинская, Г. В. Старение обессоливающих ионитов / Г. В. Славинская // Saarbrücken, Deutschland: Palmarium Academic Publishing. — 2014. — 104 s.
26.Шевченко, М. А. Органические вещества в воде и методы их удаления / М. А. Шевченко. — Киев: Наукова думка, 1966. — 135 с.
27.Brien, E. Desalination Fulvosäurelösungen by gel filtration / E. Brien J., К. Rahul // Z. Analyte. Chem. — 1968. — Vol. 234. — S. 124—125.
28.El-bassam, N. Charakterisirung der gelösten und kolloidal suspendierten organischen Substanzen im Wasser / N. El-Bassam, H. Müller // Landbauforsch. Völkenrode. — 1978. — Vol. 28, № 2. — S. 70—74.
29. Fu Paul, L. K. Removing aquatic organic substances by anion exchange resins / L. K. Fu Paul, James
M.Symons // J. Amer. Water Works Assoc. — 1990. — Vol. 32, № 10. — Р. 70—77.
30.Gjessing, Е. T. Use of «Sephadex» Gel for the Estimation of Molecular Weight of Humic Substances in Natural Water / Е. T. Gjessing // Nature. — 1965. — Vol. 208 (5015). — P. 1091—1092.
31.Lefebyre, E. Cagulation par Fe (III) de substances humiques extraites d’eaux de surface: effet du pH et de
la concentration en substances humiques / E. Lefebyre, B. Leguble // Water. Res. — 1990. — Vol. 24, № 5. —
P.591—606.
32.Naumczyk, J. Organic Isobation from Fresh and Drinring Water by Macroporous Anion-Exchange Resins / J. Naumczyk // Water Res. — 1989. — Vol. 23, № 12. — P. 273.
33.Oberländer, H. E. Entsalzung von Fulvosäurelösungen durch Gelfiltration / H. E. Oberländer, J. Stadler, K. Roht // Z. Analyt. Chem. 1968. — Bd. 234, № 2. — S. 124—125.
34.Prentiss, J. Acrylic anion resin improves treatment of organic-laden water / J. Prentiss, C. Gooris // Power. — 1985. — Vol. 129, № 7. — P. 43—44.
35.Puri, V. K. Tread resins properlyto derive full benefits of ion exchange / V. K. Puri, S. T. Costa // Power. — 1986. — Vol. 13, № 9. — P. 43—47.
36.Randtke, S. J. Predicting the removal of soluble organic contaminants by lime softening / S. J. Randtke // J. Water Res. — 1986. — Vol. 20, № 1. — P. 27—35.
37.Saint-Léon, R. Pollution des échangeurs d’ions, restauration de leurs propertiétés / R. Saint-Léon // Terres et eaus. — 1969. — Vol. 22, № 60. — P. 28—30.
38.Schnitzer, M. A newapproach to the humic acid problem / M. Schnitzer, D. N. Barton // Nature. — 1963. — № 198. — P. 217—219.
39. Slavinskaya, G. V. Acid-base function of colloid fulvic acids of natural waters / G. V. Slavinskaya, V. F. Selemenev // International Conference on Colloid Chemistry and Physical-Chemical Mechanics dedicated to the centennial of the birthdayof P. A. Rehbinder. — M., 1998. — P. PB53.
40. Slavinskaya, G. V. Studies in Sorption of Natural Inorganic Substances by Anion-Exchangers During Water Demineralisation / G. V. Slavinskaya, M. N. Fomenko // 100 Years of Chroma-tography: 3rd Int. Symposium on Sepa-rations in Bio Scie-ncies SBS 2003: Abstracts, Program, 13—18 May2003. — M., 2003. — P. 208.
References
1. Al'bert, A. Konstantyionizatsii kislot i osnovanii / A. Al'bert, E. Serzhent. — M. — L.: Khimiya, 1964. —
179 s.
2.Ashirov, A. Ionoobmennaya ochistka stochnykh vod, rastvorov i gazov / A. Ashirov. — L.: Khimiya. — 1983. — 295 s.
3.Varshal, G. M. Izuchenie organicheskikh veshchestv poverkhnostnykh vod i ikh vzaimodeistvie s ionami metallov v svyazi s migratsiei zagryaznyayushchikh veshchestv v obˈektakh vneshnei sredy / G. M. Varshal, I. Ya.
Koshcheeva, I. S. Sirotkina // Organicheskaya geokhimiya vod i poiskovaya geokhimiya. — M.: Nedra, 1982. —
S.202—212.
4.Gel'ferikh, F. Ionity/ F. Gel'ferikh. — M.: IIL, 1962. — 490 s.
5.GOST 23732-2011. Voda dlya betonov i stroitel'nykh rastvorov. Tekhnicheskie usloviya. — M.: Standartinform, 2012. — 16 s.
63
Научный журнал строительства и архитектуры
6.Grebenyuk, V. D. Obessolivanie vody ionitami / V. D. Grebenyuk, A. A. Mazo. — M.: Khimiya, 1980. —
256 s.
7.Danchenko, N. N. Opredelenie kislotnykh grupp gumusovykh veshchestv titrimetricheskimi metodami / N. N. Danchenko, I. V. Perminova, A. V. Garmash, V. S. Petrosyan // Referatydokladov XVI Mendeleevskogo sˈezda. — 1998. — T. 3. — S. 79.
8.Kas'yanenko, V. I. Issledovanie otravlyaemosti anionitov gumusovymi veshchestvami prirodnykh vod / V. I. Kas'yanenko, V. A. Vakulenko, A. B. Pashkov, A. M. Prokhorova // Teploenergetika. — 1980. — № 6. — S. 25— 27.
9.Kovaleva, O. V. Raschet effektivnogo radiusa organicheskikh ionov i molekul po kontsentratsionnym zavisimostyam plotnosti vodnogo rastvora / O. V. Kovaleva // Xl Vserossiiskaya nauch.-prakt. konf. studentov i aspirantov «Khimiya i khimicheskaya tekhnologiya v XXl veke», 14—16 maya 2008 g. — Tomsk: Izd-vo Tomskogo politekhnicheskogo universiteta, 2008. — S. 159—160.
10. Kononova, M. M. Organicheskoe veshchestvo pochvy. Ego priroda, svoistva i metody izucheniya /
M.M. Kononova. — M.: Izd-vo AN SSSR, 1963. — 314 s.
11.Kurenkova, O. V. Sorbtsionnoe izvlechenie anionnogo PAV dibutilnaftalinsul'fonata natriya iz podzemnykh i stochnykh vod: avtoref. dis. … kand. khim. nauk: 03.02.08: zashchishchena 04.02.2011: utv. 10.06.2011 / Ol'ga Valer'evna Kurenkova. — M., 2011. — 18 s.
12.Libinson, G. S. Fiziko-khimicheskie svoistva karboksil'nykh kationitov / G. S. Libinson. — M.: Nauka, 1969. — 111 s.
13.Lishtvan, I. I. Fiziko-khimicheskaya mekhanika guminovykh veshchestv / I. I. Lishtvan, N. N. Kruglitskii, V. Yu. Tretinnik. — Minsk: Nauka i tekhnika, 1976. — 264 s.
14. Mamchenko, A. M. Ochistka pit'evoi vody ot gumusovykh soedinenii sil'noosnovnymi anionitami / A. M. Mamchenko, M. S. Novozhenyuk, E. B. Kryzhanovskaya // Khimiya i tekhnologiya vody. — 1997. — T. 19,
№2. — S. 136 —140.
15.Polyanskii, N. G. Metodyissledovaniya ionitov / N. G. Polyanskii, G. V. Gorbunov, N. L. Polyanskaya. — M.: Khimiya, 1976. — 208.
16.SanPiN 2.1.4. 1074—01. Sanitarnye pravila i normy kachestva pit'evoi vody. — M.: Federal'nyi tsentr Gossanepidnadzora, 2002. — 103 s.
17.Slavinskaya, G. V. Ekologicheskie aspekty sorbtsionnoi ochistki vody ot organicheskikh veshchestv gumusovoi prirody / G. V Slavinskaya // Sorbtsionnye i khromatograficheskie protsessy. — 2003. — T. 3, vyp. 2. — S. 232—237.
18. Slavinskaya, G. V. Sorbtsionnaya ochistka vody ot ful'vokislot sochetaniem anionitov raznogo tipa / G. V. Slavinskaya, N. S. Kuznetsova // Sorbtsionnye i khromatograficheskie protsessy. — 2003. — T. 3, vyp. 4. —
S.455—459.
19.Slavinskaya, G. V. Konstanty ionizatsii ful'vokislot / G. V. Slavinskaya // Pochvovedenie. — 2004. — № 1. — S. 68—70.
20.Slavinskaya, G. V. Fiziko-khimicheskoe obosnovanie i realizatsiya protsessov udaleniya gumusovykh kislot iz vodnykh rastvorov metodom preparativnoi khromatografii: avtoref. dis. …. d-ra khim. nauk: 05.11.11: zashchishchena 02.12.2003; utv. 16.01.2004 / Slavinskaya Galina Vladimirovna. — Voronezh, 2003. — 48 s.
21.Slavinskaya, G. V. Raschet razmera ionov v vodnykh rastvorakh / G. V. Slavinskaya // Sorbtsionnye i khromatograficheskie protsessy. — 2007. — T. 7, vyp. 5. — S. 774—779.
22. Slavinskaya, G. V. Vyyavlenie mekhanizma sorbtsii nekalya anionitami v raznoi ionnoi forme / G. V. Slavinskaya, O. V. Kurenkova // Sorbtsionnye i khromatograficheskie protsessy. — 2010. — T. 10, vyp. 5. —
S.695—703.
23.Slavinskaya, G. V. Vozmozhnost' sokrashcheniya raskhoda reagentov pri ochistke prirodnykh vod ot organicheskikh veshchestv v obessolivayushchikh ustanovkakh / G. V. Slavinskaya, O. V. Kovaleva // Ekologiya i promyshlennost' Rossii. — 2010. — № 1. — S. 26—29.
24. Slavinskaya, G. V. Ochistka prirodnoi i obessolennoi vody ot organicheskikh veshchestv / G. V. Slavinskaya // Nauchnyi Vestnik Voronezhskogo GASU. Stroitel'stvo i arkhitektura. — 2010. — № 1 (17). —
S.81—91.
25.Slavinskaya, G. V. Starenie obessolivayushchikh ionitov / G. V. Slavinskaya // Saarbrücken, Deutschland: Palmarium Academic Publishing. — 2014. — 104 s.
26.Shevchenko, M. A. Organicheskie veshchestva v vode i metody ikh udaleniya / M. A. Shevchenko. — Kiev: Naukova dumka, 1966. — 135 s.
27.Brien, E. Desalination Fulvosäurelösungen by gel filtration / E. Brien J., K. Rahul // Z. Analyte. Chem. — 1968. — Vol. 234. — S. 124—125.
28.El-bassam, N. Charakterisirung der gelösten und kolloidal suspendierten organischen Substanzen im Wasser / N. El-Bassam, H. Müller // Landbauforsch. Völkenrode. — 1978. — Vol. 28, № 2. — S. 70—74.
29. Fu Paul, L. K. Removing aquatic organic substances by anion exchange resins / L. K. Fu Paul, James M. Symons // J. Amer. Water Works Assoc. — 1990. — Vol. 32, № 10. — P. 70—77.
64
Выпуск № 2 (46), 2017 |
ISSN 2541-7592 |
30.Gjessing, E. T. Use of «Sephadex» Gel for the Estimation of Molecular Weight of Humic Substances in Natural Water / E. T. Gjessing // Nature. — 1965. — Vol. 208 (5015). — P. 1091—1092.
31.Lefebyre, E. Cagulation par Fe (III) de substances humiques extraites d’eaux de surface: effet du pH et de
la concentration en substances humiques / E. Lefebyre, B. Leguble // Water. Res. — 1990. — Vol. 24, № 5. —
P.591—606.
32.Naumczyk, J. Organic Isobation from Fresh and Drinring Water by Macroporous Anion-Exchange Resins / J. Naumczyk // Water Res. — 1989. — Vol. 23, № 12. — P. 273.
33.Oberländer, H. E. Entsalzung von Fulvosäurelösungen durch Gelfiltration / H. E. Oberländer, J. Stadler, K. Roht // Z. Analyt. Chem. 1968. — Bd. 234, № 2. — S. 124—125.
34.Prentiss, J. Acrylicanion resin improves treatment of organic-laden water / J. Prentiss, C. Gooris// Power. — 1985. — Vol. 129, №7. — P. 43—44.
35.Puri, V. K. Tread resins properlyto derive full benefits of ion exchange / V. K. Puri, S. T. Costa // Power. — 1986. — Vol. 13, № 9. — P. 43—47.
36.Randtke, S. J. Predicting the removal of soluble organic contaminants by lime softening / S. J. Randtke // J. Water Res. — 1986. — Vol. 20, № 1. — P. 27—35.
37.Saint-Léon, R. Pollution des échangeurs d’ions, restauration de leurs propertiétés / R. Saint-Léon // Terres et eaus. — 1969. — Vol. 22, № 60. — P. 28—30.
38.Schnitzer, M. A newapproach to the humic acid problem / M. Schnitzer, D. N. Barton // Nature. — 1963. — № 198. — P. 217—219.
39. Slavinskaya, G. V. Acid-base function of colloid fulvic acids of natural waters / G. V. Slavinskaya, V. F. Selemenev // International Conference on Colloid Chemistry and Physical-Chemical Mechanics dedicated to the centennial of the birthdayof P. A. Rehbinder. — M., 1998. — P. PB53.
40. Slavinskaya, G. V. Studies in Sorption of Natural Inorganic Substances by Anion-Exchangers During Water Demineralisation / G. V. Slavinskaya, M. N. Fomenko // 100 Years of Chroma-tography: 3rd Int. Symposium on Sepa-rations in Bio Scie-ncies SBS 2003: Abstracts, Program, 13—18 May2003. — M., 2003. — P. 208.
THE INFLUENCE OF REACTION MEDIUM
ON THE EFFECTIVENESS OF SORPTIVE WATER PURIFICATION FROM NATURAL AND SYNTHETIC SURFACTANTS ANIONITAMI
G. V. Slavinskaya1, O. V. Kurenkova2
Voronezh State Technical University
Russia, Voronezh1
Cadet School (Engineering School) of the Air Force «Military Air Academy Named after N. E. Zhukovsky and Yu. A. Gagarin»
Russia, Voronezh2
1D. Sc. in Chemistry, Prof., tel.: (473)249-89-70, e-mail: slavgv@mail.ru
2PhD in Chemistry, Teacher of Chemistry, e-mail: vaiu@mail.ru
Statement of the problem. Natural and synthetic surface-active substances (SAS) is limited not only for drinking but also in water for many productions, including those for use in concrete technology works. These impurities are removed based on anionits. To improve the quality of water and reduce the amount of waste water for a long period of work filters, one must create the optimal conditions for the process.
Results. The influence of some parameters on the effectiveness of sorptive water purification of anionic surfactant-fulvic acid (FC) natural waters and nekal was studied. Anion exchangers are used in a different polymer matrix in a different ionic form having functional groups varying in their ionization capacityin a wide range of pH values.
Conclusions. For the first time, it has been shown that the highest removal efficiency of surfactants is achieved in the pH range 2—5 because of an increase in the rate constants of sorption coefficients and their diffusion in the matrix of the anion. This is due to the optimal combination of surfactants and ionization degree of functional groups of anion. Based on the identified patterns there are some recommendations on the use of anion-sorbents in water purification technology of surfactants.
Keywords: natural water sorption pH, surfactant, nekal, fulvic acids, anion exchangers.
65
Научный журнал строительства и архитектуры
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
УДК 691.327
АРМИРОВАННАЯ ГИПСОПОЛИСТИРОЛБЕТОННАЯ СМЕСЬ С РЕГУЛИРУЕМЫМ СРОКОМ СХВАТЫВАНИЯ
А. П. Свинцов1
Российский университет дружбы народов 1 Россия, г. Москва
1Д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой проектирования и строительства промышленных и гражданских сооружений, e-mail: svintsovap@rambler.ru
Постановка задачи. Рассматривается задача разработки состава полистиролбетонной смеси и исследования физико-механических и теплотехнических характеристик изделий из нее. Результаты. В результате исследования разработана полистиролбетонная смесь, армированная хризотил-асбестовым волокном. Совершенствованная композиция полистиролбетонной смеси позволяет уменьшить негативные особенности материала, одновременно акцентировать и усилить его достоинства. Выполнено исследование физико-механических и теплотехнических характеристик разработанного полистиролбетона различной плотности.
Выводы. Результаты исследования позволяют сделать вывод о существенном положительном влиянии добавок и армирования полистиролбетонной смеси на прочностные и теплотехнические характеристики изделий из нее. Полученные результаты позволяют считать, что разработанная полистиролбетонная смесь может быть использована в качестве теплоизоляционного и конструкционного материала.
Ключевые слова: полистиролбетон, средняя плотность, расслаивание, прочность, теплопроводность, полистирол, цемент, гипс.
Введение. Полистиролбетон представляет собой легкий композиционный материал, широко применяемый в строительстве. В зависимости от состава полистирлбетон может быть использован как теплоизоляционный, звукопоглощающий или конструкционный материал. Основными компонентами полистиролбетона являются вспененный или дробленый полистирол, минеральное вяжущее и вода, а различные добавки придают ему дополнительные свойства. Для предотвращения расслаивания полистиролбетонной смеси, обусловленного значительным различием плотностей пенополистирола и минерального вяжущего, используют воздухововлекающие добавки, а также армирующие волокна. Армирующие волокна способствуют не только стабилизации смеси, но и снижают усадочные деформации полистиролбетона. В качестве армирующего материала используют базальтовое волокно, стекловолокно, имеющие хорошую адгезию к минеральному вяжущему.
Для сокращения сроков схватывания минерального вяжущего, твердения материала и набора прочности предложен состав полистиролбетона, содержащий гипс полуводный, цемент, воду и добавки, а в качестве армирующего материала использован хризотил-асбест. Выполнено исследование физико-механических и теплотехнических характеристик разработанного полистиролбетона различной плотности.
© Свинцов А. П., 2017
66
Выпуск № 2 (46), 2017 |
ISSN 2541-7592 |
Экспериментально установлено, что полистиролбетон предложенной композиции может быть использован в качестве теплоизоляционного конструкционного материала.
1. Полистиролбетон в современном строительстве. Одной из важнейших проблем современного строительства является возведение объектов с высокими энергосберегающими характеристиками. Для этого широко применяют полистиролбетонные смеси на основе минерального вяжущего.
По данным исследований [7, 9, 11], теплопроводность полистиролбетона на 10—30 % ниже, а прочность на осевое сжатие выше на 10—15 %, чем у ячеистого бетона. В связи с этим полистролбетон имеет значительные перспективы использования в качестве теплоизоляционного и звукопоглощающего материала. Современное технологическое обеспечение, включающее смесительное, формовочное, калибровочное оборудование и модификаторы полистиролбетонной смеси, позволяет получать полистролбетонные изделия с заданными физико-механическими и теплотехническими характеристиками.
Одной из особенностей полистиролбетонной смеси является ее расслаивание в процессе приготовления. Это вызвано большой разницей массы компонентов и гидрофобностью пенополистирола, используемого в качестве заполнителя. Для повышения гидрофильности пенополистирола рекомендуется использовать различные добавки [3, 16]. Показано, что средняя плотность конструкционно-теплоизоляционного полистиролбетона составляет 900— 1000 кг/м3, теплопроводность — 0,23 Вт/(м °С), прочность на осевое сжатие — 4,5—11 МПа, водопоглощение — 4,2 %. Высокие теплотехнические свойства пенополистирола позволяют успешно его использовать в качестве облицовочного материала для многоэтажных зданий [2]. Для облицовки использован теплоизоляционно-конструкционный (плотностью 150— 300 кг/м3) и конструкционно-теплоизоляционный (плотностью 350—550 кг/м3) полистиролбетон на цементном вяжущем.
Полистиролбетон позволяет улучшить теплозащитные свойства наружных стен из монолитного керамзитобетона. В вертикальные каналы стен после извлечения каналообразователей укладывают полистиролбетонную смесь, что позволяет увеличить теплоизолирующие характеристики в среднем на 65 %. Для заполнения каналов рекомендован полистиролбетон марки D250 [13].
Одним из вариантов использования полистиролбетона для теплозащиты наружных стен является технология возведения трехслойных панелей [5]. Для получения материала с заданными свойствами рекомендованы методики, представленные в [1, 9, 10]. Предложенные расчетные модели полистиролбетона связывают его прочность с плотностью, характеристиками основных компонентов и специальных добавок.
Результаты исследования влияния гидротеплосилового поля на скорость твердения и набора прочности полистиролбетоном представлены в [15]. Показано, что в этих условиях полистиролбетон получается с равномерно распределенной мелкопористой структурой.
Исследование физико-механических и теплотехнических характеристик полистиролбетона проводят как отечественные, так и зарубежные специалисты. В работах [21, 24, 25] представлены результаты исследования прочностных и теплофизических характеристик полистиролбетона с использованием вспененного полистирола. На прочность полистиролбетона при осевом сжатии, на растяжение при изгибе оказывают влияние количество вспененного полистирола, пластификаторов, портландцемента и различных добавок [23, 26]. Установлено, что добавление рисовой шелухи и отходов пропиленовых волокон позволяют получить умеренный класс прочности для конструкционного материала. Некоторые конструктивные элементы здания могут быть подвержены влиянию динамической нагрузки. В связи с этим выполнено исследование динамических свойств полистиролбетона [20]. Исследованы свойства материала при ударных нагрузках. В работе [27] представлены результаты исследования ползучести полистиролбетона. Установлено, что деформации ползучести увеличиваются по мере роста количества полистирольного заполнителя.
67
Научный журнал строительства и архитектуры
Применение пенополистирола для изготовления различного рода упаковки способствует росту экологической напряженности во всех странах. В этой связи повторное использование дробленого или регенерированного полистирола в качестве легкого заполнителя строительного материала является актуальной задачей. В работах [3, 16, 19, 22, 28] представлены результаты исследования физико-механических характеристик полистиролбетона из армированных и не армированных смесей. Исследованы композиции с содержанием полистирола до 60 %, а также низким содержанием добавок и портландцемента. Исследованные составы полистиролбетона целесообразно использовать в качестве конструкционнотеплоизоляционного материала.
Полистиролбетон как теплоизоляционно-конструкционный материал используют не только в виде штучных элементов, теплоизолирующих слоев, но и при возведении монолитных конструкций [18]. Особо легкий полистиролбетон укладывают также и в несъемную опалубку, что позволяет существенно повысить индустриальность возведения стен.
Анализ публикаций в научной периодической печати показывает, что в настоящее время активно проводятся работы по совершенствованию составов полистиролбетона. В этой связи представляется важной оценка теплотехнических характеристик предлагаемой той или иной рецептуры полистиролбетона. Методике определения теплотехнических характеристик посвящены работы [4, 6, 17]. Представлены результаты исследования теплофизических характеристик методом упорядоченного теплового режима и методом неразрушающего контроля. Предложенные методики позволяют с необходимой для инженерных расчетов точностью определять теплофизические характеристики исследуемого материала.
Применение полистиролбетона позволяет решать задачи энергосбережения в зданиях за счет улучшения теплотехнических характеристик ограждающих конструкций. В качестве компонентов целесообразно использовать отходы различной производственной и хозяйственной деятельности, что позволит с меньшей интенсивностью увеличивать антропогенную нагрузку на окружающую среду. В России, как и во многих других странах, широко используются упаковочные материалы из пенополистирола, применяемые для транспортировки электротехники, бытовой техники и др. После использования упаковка указанного типа частично направляется на переработку, а частично — на свалку в качестве одного из многолетних загрязнителей окружающей среды. Существующие системы по переработке пенополистирола позволяют обеспечить его повторное использование в качестве заполнителя в легких бетонах различного состава и назначения. Применяемые дробилки позволяют сохранить сферическую форму зерен размерами от 0,5 до 4—6 мм. Полистиролбетонные смеси основаны на гидравлическом вяжущем, вспененном или дробленом полистироле с использованием добавок для придания тех или иных свойств получаемым изделиям [8, 12, 14].
Наиболее характерным достоинством композиций полистиролбетонных смесей считается их высокая теплоизолирующая способность. К важнейшим недостаткам этого материала относится расслаивание при укладке и образование усадочных трещин при твердении. Для акцентирования положительных свойств пенополистиролбетона принято целесообразным разработать композицию его смеси, свободную от выявленных недостатков. Это позволит более широко использовать полистиролбетон в современном строительстве и повторно использовать дробленый полистирол, тем самым снижая антропогенную нагрузку на окружающую среду.
2. Физико-механические и теплотехнические характеристики полистиролбетона.
Полистиролбетон представляет собой композиционный материал, состоящий из минерального вяжущего, вспененного гранулированного или дробленого полистирола, воды, воздухововлекающих, пластифицирующих и структурообразующих добавок, а также армирующих волокон.
Одной из особенностей полистиролбетонной смеси является расслаивание в процессе ее приготовления и формирования изделий. Для создания однородной полистиролбетонной смеси применяют различные добавки и армирующие волокна [8, 12, 14, 16]. В Российском
68
Выпуск № 2 (46), 2017 |
ISSN 2541-7592 |
университете дружбы народов разработана армированная гипсополистиролбетонная смесь с регулируемым сроком схватывания и твердения. В процессе приготовления и укладки смеси в формы изделий ее расслаивание не наблюдается. Регулирование сроков схватывания гипсополистиролбетонной смеси осуществляется посредством изменения количества добавляемой винной кислоты. Гипсополистиролбетонная смесь с добавлением водного раствора полиакриламида как структурообразующего компонента и хризотил-асбестового волокна как армирующего элемента хорошо перемешивается и формируется без расслоения. В процессе твердения изделий усадочных деформаций не отмечено.
Набор исходных материалов, входящих в состав гипсополистиролбетонной смеси, отличается от наборов, для которых имеются хорошо работающие методики проектирования [1, 9, 10]. Предварительное проектирование гипсополистиролбетонной смеси выполнено по методике, представленной в [1]. В результате анализа данных экспериментального исследования указанная методика уточнена применительно к набору основных компонентов смеси.
Расчетная модель включает определение плотности гипсополистиролбетона и его прочности на осевое сжатие. Средняя плотность определяется по формуле:
ПСБ 1,15 Ц Г Д Х ПС , |
(1) |
где Ц, Г, Д, Х, ПС — расход материалов на 1 м3 гипсополистиролбетонной смеси соответственно цемента, гипса, активной минеральной добавки, хризотил-асбеста, полистирольных гранул, кг.
Прочность гипсополистиролбетона определяется по формуле:
VГЦ kЦЭVД |
|
Х |
|
||
RПСБ RГЦ |
|
|
|
, |
(2) |
VВ VПСГ |
|
||||
|
|
ГЦ |
|
||
где ζ — коэффициент качества компонентов, позволяющий комплексно учитывать особенно-
сти исходных материалов, подвижность смеси, влияние регулятора сроков схватывания и твердения и др. по методике Л. И. Дворкина [1], ζ=0,5А1А2А3…; А1 =d -0,2, где d — средний
диаметр гранул полистирола; RГЦ — активность гипсоцементного вяжущего, МПа; VГЦ, VД, VВ, VПСГ — расход на 1 м3 гипсополистиролбетонной смеси соответственно гипсоцементного вяжущего, активной минеральной добавки, воды, полистирольных гранул, л; kЦЭ — коэффициент цементирующей эффективности активной минеральной добавки, kЦЭ =1,2—1,7; Х, ГЦ — расход на 1 м3 гипсополистиролбетонной смеси соответственно хризотил-асбеста и гипсоцементного вяжущего, кг.
На основе расчетов по формулам (1) и (2) выполнен подбор составов гипсополистиролбетонных смесей со средней плотностью D200—D1100 кг/м3.
На рис. 1 представлен внешний вид образцов, изготовленных из гипсополистиролбетонной смеси.
В рамках исследования физико-механических и теплотехнических характеристик гипсополистиролбетона выполнен анализ изменения прочности на осевое сжатие и теплопроводности в зависимости от проектной плотности материала. На рис. 2 представлена диаграмма, построенная по данным экспериментального исследования прочности на сжатие в зависимости от проектной плотности гипсополистиролбетона.
Анализ диаграммы показывает наличие нелинейной связи прочности на сжатие с плотностью гипсополистиролбетона. При увеличении плотности гипсополистиролбетона его прочность на осевое сжатие увеличивается по экспоненциальной зависимости при коэффициенте детерминации R2 =0,994. Увеличение прочности гипсополистиролбетона обусловлено не только количеством минерального вяжущего, но и количеством структурообразующей и минеральной добавок, а также щелочестойкого армирующего волокна из хризотил-асбеста.
69
Научный журнал строительства и архитектуры
Рис. 1. Образцы из гипсополистиролбетонной смеси:
а) средняя плотность D200 на вспененном гранулированном заполнителе; б) средняя плотность D600 на дробленом пенополистироле
На рис. 3 представлена диаграмма изменения коэффициента теплопроводности в зависимости от плотности гипсополистиролбетона.
Рис. 2. Изменение прочности на осевое сжатие гипсополистиролбетона с различной проектной плотностью
Плотность гипсополистиролбетона зависит от его структуры и соотношения количества заполнителя и вяжущего. Увеличение матрицы цементного камня приводит к тому, что зерна заполнителя связаны более прочно с цементным камнем. Эта же матрица служит основным проводником при теплопередаче. С увеличением плотности гипсополистиролбетона коэффициент теплопроводности увеличивается. Из диаграммы видно, что изменению коэффициента теплопроводности гипсополистиролбетона характерен значительный разброс значений.
70