Производство строительных материалов

К сульфатсодержащим отходам промышленности относят прежде всего фосфо, боро, титано, фторо, хлоро, ферро, нитрогипсовые и тому подобные техногенные продукты, а также некоторые вскрышные породы добычных гипсовых, гипсоангидритовых карьеров и шахт, отходы переработки со­левых рассолов. Эти объекты анализа содержат в основном сульфаты — соли серной кислоты, они могут включать в себя минералы, первоначальное агрегатное состояние которых сильно изменено или сформировано заново в результате технологичес­ких промышленных процессов: ангидрит, гипс, мирабилит,

барит, алунит. Наибольший интерес для изготовления новых эффективных строительных материалов из многотоннажных сульфатсодержащих отходов представляет фосфогипс, который при последующей переработке на вяжущее может приобре­тать различные свойства в зависимости от содержаний в нем примесей фосфора, редкоземельных элементов, фтора, соеди­нений железа, кремния, алюминия, урана, органических ком­понентов. Информация о полном химическом и модификационном составе гипсосодержащего сырья, полученная с приме­нением различных способов определения, имеет исключительно важное значение для прогноза качества строительного сырья и изделий из него с полной оценкой экологической безопасности. Схема полного анализа этого вида техногенного продукта пока­зана на рисунке.

Для определения оксидов металлов используют наиболее распространенные титриметрические, фотометрические с при­менением эффективных органических реагентов и атомно-абсорбционные методы. Выбор методики зависит от технологи­ческих требований, точности, экспрессности выполнения работ, а также от оснащенности лаборатории.

Быстрое и надежное определение компонентов этих видов многотоннажных отходов, осваиваемых строительным индуст­риальным комплексом, представляет достаточно сложную задачу. В последнее время она упрощается с помощью физико-химических методов таких, как эмиссионный спектроскопи­ческий, а томно-абсорбционный, титрометрический, спектрофото-метрический, намечена тенденция использования автоматических анализаторов в комплекте с ЭВМ и дисплеями. Кроме тради­ционно определяемых углерода, кремния, серы, кальция, алю­миния, железа и других в сланце и углеотходах важной ста­новится информация о содержании в них урана, ванадия, ртути, меди, бериллия, кадмия и свинца.

7.1. ФЛУОРИМЕТРИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ АНТРАЦЕНА И ФЕНАНТРЕНА С ПРИМЕНЕНИЕМ ХРОМАТОГРАФИИ

Сущность метода. Антрацен, фенантрен и карбазол содер­жатся в сыром антрацене каменноугольной смолы в смеси с аценафтеном, флуореном, дифениленоксидом и др. Поляро­графическому определению карбазола мешает присутствие в смесях больших количеств (более 30%) фенантрена, а поля­рографическому определению фенантрена мешает антрацен. Спектрофотометрическому определению карбазола также ме­шают антрацен и фенантрен, а определению последних мешает карбазол. Поэтому их разделяют хроматографированием на бумаге. Карбазол количественно отделяется от своих спутни­ков в сыром антрацене.

Хроматографическое разделение осуществляют методом восходящей хроматографии на полосках бумаги (хроматографирующая быстровпитывающая марки "Б") шириной 1,5— 2 см и длиной около 30 см. Бумажные полоски предваритель­но пропитывают насыщенным этанольным раствором пикри­новой кислоты (наносят на бумагу кисточкой) и высушивают на воздухе.

Выполнение определения. Точную навеску около 1,2 г исследуемой пробы помещают в мерную колбу объемом 100 мл и доливают до метки чистым бензолом. Отбирают пипеткой 0,1 мл раствора и наносят его на середину пикриновой полос­ки бумаги. После нанесения всей пробы место нанесения про­сматривают в ультрафиолетовом свете (ртутная лампа со све­тофильтром УФС-2). Если при этом наблюдается синяя или фиолетовая флуоресценция, то место нанесения пробы еще раз заливают сверху осторожно из пипетки раствором пик­риновой кислоты до исчезновения флуоресценции. Бумагу подсушивают на воздухе, верхний конец ее зажимают между половинками пробки, закрывающей цилиндр, а нижний опус­кают на 0,5 см в проявляющий растворитель, налитый на дно цилиндра.

В качестве проявляющего растворителя применяют тща­тельно высушенный над хлоридом кальция н-гептан.

При хроматографировании пикраты спутников карбазола в каменноугольной смоле (антрацена, фенантрена, флуорена, дифениленоксида, аценафтена и др.) двигаются в виде свобод­ных соединений (наблюдение в ультрафиолетовом свете по флуоресценции), пикрат карбазола остается на линии старта (оранжевое пятно при обычном освещении).

После того, как фронт растворителя проходит по бумаге расстояние 20—25 см, хроматографирование прекращают, хроматограмму высушивают на воздухе и просматривают в ультра­фиолетовом свете. Если на хроматограмме наблюдается растя­нутая флуоресцирующая дорожка, то для подтягивания ее в одно небольшое пятно хроматографирование повторяют снова.

После окончания хроматографирования и высушивания хроматограммы это флуоресцирующее пятно вырезают и экстра­гируют спиртом. В экстракте определяют антрацен и фенантрен флуориметрически.

Карбонатсодержащие породы используются, главным обра­зом, в качестве щебня, заполнителя бетонных изделий и кон­струкций. Химический анализ этих отходов должен предусмат­ривать в первую очередь определение стронция, бария, берил­лия, а затем уже остальных составляющих минеральных обра­зований и конгломератов.

8.1. АТОМНО-АБСОРБЦИОННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТРОНЦИЯ (ПО С. ХУФФМАНУ И ДЖ. МЕЗИК)

Сущность метода. Определение основано на резонансном пог­лощении возбужденными атомами стронция в воздушно-аце­тиленовом пламени характеристического испускания (линии стронция). Для устранения помех используют хлориды калия и лантана. Определяемое содержание 0,0025—0,21%. Коэф­фициент вариации 1,7%.

Применяемые реактивы и растворы. Фтористо-водородная, азотная, хлорная кислоты концентрированные. Хлористо-во-дородная кислота (1:20). Лантан хлористый, 1%-й раствор. Калий хлористый, 2 мг/мл водный раствор,

Выполнение определения. Навеску образца 1 г раство­ряют в смеси HF и НС10₄, добавляя в смесь азотную кислоту до полного растворения пробы при нагревании. Упаривают раствор до выделения паров хлорной кислоты, остаток в пла­тиновой чашке растворяют в разбавленной HCl при нагревании.

Для введения в пламя атомно-абсорбционного прибора к аликвотам полученного раствора 2,5—10 мл добавляют рас­творы хлористых калия и лантана. Измеряют оптическую плот­ность атомной абсорбции. Содержание стронция находят по градуировочной кривой, которую строят, используя стандартные растворы стронция или по эталонным образцам.

Полный химический анализ этого своеобразного вида про­мышленных отходов — из сложных задач аналитической химии. Необходима постановка точных методов определения таких экологически важных элементов как медь, кадмий, бериллии, теллур, висмут, молибден, сера, никель, цинк, сурьма, мышьяк, свинец, ртуть и др.

Содержание большей части этих элементов может быть опре­делено эмиссионным спектральным или атомно-абсорбционным методами. Частные методики определения многих элементов аналогичны описанным в предыдущих главах, поэтому в этой главе приведены лишь некоторые.

9.1. АТОМНО-АБСОРБЦИОННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ КАДМИЯ

Сущность метода. Определение основано на резонансном поглощении характеристического излучения кадмия при 228,8 нм возбужденными атомами кадмия в пламени пропана. Определяемый минимум 4-10^-4 % кадмия.

Выполнение определения. Навеску материала 2,5 г рас­творяют в 50 мл смеси азотной и хлористо-водородной кислот (1:3) при нагревании, выпаривают до объема 1—5 мл, после чего разбавляют водой до 50 мл в мерной колбе. Раствор посред­ством капилляра вводят в воздушно-пропановое пламя. Изме­ряют атомную абсорбцию и находят содержание кадмия в пробе, используя градуировочную кривую, построенную с использо­ванием стандартного раствора кадмия.

Металлургические шлаки (доменные, сталелитейные, вагра­ночные, специальные) представляют собой твердую силикат­ную систему с преобладающей долей стеклофазы и отдельными включениями технологического генезиса. В большинстве слу­чаев для установления состава их экологической чистоты про­изводят анализ с применением спектрофотометрических, титриметрических и гравиметрических методов. Однако для анализа шлаков как специфических техногенных продуктов наиболее перспективен рентгенофлуоресцентный метод, правильность и экспрессность которого в значительной мере определяются матричным эффектом, который часто оказывается постоянным.

В ходе применения рентгенофлуоресцентного метода приме­няют сплавление проб с тетраборатом натрия (в случае высоких требований по воспроизводимости и разбросу результатов) и прессование таблеток из порошкообразных проб и связующе­го материала.

10.1. РЕНТГЕНОФЛУОРЕСЦЕНТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВАНАДИЯ, СТРОНЦИЯ, ФОСФОРА, ЖЕЛЕЗА, ЦИРКОНИЯ, ТИТАНА, КРЕМНИЯ, АЛЮМИНИЯ, КАЛЬЦИЯ, МАГНИЯ, МАРГАНЦА И СЕРЫ

Сущность метода. Определение основано на измерении вторичного рентгеновского излучения от анализируемого об­разца под действием потока рентгеновской трубки, которое является характерным для химического состава проб. Харак­теристическое флуоресцентное излучение при выполнении условий определения зависит от порядкового номера элемента и пропорционально его содержанию. В таблице приведены параметры осуществления определений применительно к изме­рительному прибору "Квантовак-7200", источник возбужде­ния, рентгеновская трубка с родиевым анодом, 50 кВ, 40 мА, измерение линий К_д при времени счета 100 с.

Время, необходимое для определения всех элементов в ана­лизируемой пробе, около 30—60 мин. Определения ведут с помощью эталонов шлаковых образцов с корректировкой мат­ричного эффекта с применением расчетной программы и ЭВМ.

Выполнение определения. Навеску анализируемой пробы (размер частиц < 0,1 мм) 0,005 г помещают в платиновый ти­гель с 7 г буры и 0,5 г нитрата калия, тщательно перемешивают шихту и сплавляют в муфельной печи при 1150—1200°С, осто­рожно покачивая тигель. Горячий плав выливают в графитовую форму (кювету) и раздавливают алюминиевым пуансоном. Таблетку охлаждают и измеряют интенсивность флуоресценции для каждого элемента в условиях, указанных в таблице. Рас­чет содержания определяют по градуировочному графику, полу­ченному с использованием эталонных образцов.