1. Введение

Тепловые сети — ключевой элемент энергетической системы, который во многих российских регионах имеет высокую степень износа вследствие воздействия механических повреждений, неблагоприятных погодных условий, гидродинамических нагрузок и прочих воздействий окружающей среды. Потери тепла достигают порядка 30%, что обусловлено в том числе недостаточной эффективностью изоляции трубопроводов [1], [2], [3].

Несмотря на разнообразие представленных на рынке теплоизолирующих материалов и технологий, задача оптимизации энергосбережения требует дальнейшего совершенствования технических характеристик существующих решений, включая повышение прочности, долговечности, снижение коэффициента теплопередачи, улучшение экономических показателей и минимизацию негативного воздействия на окружающую среду.

Материалы минерального происхождения выгодно отличаются от органических аналогов стабильностью теплотехнических параметров в течение длительного периода эксплуатации [2], [4], [5]. Среди наиболее перспективных сырьевых ресурсов выделяются цеолитсодержащие породы, а также техногенное сырье (шлаки, золы), способные к вспучиванию [3], [4], [6]. Использование такого подхода позволяет получать новые материалы для энергетики и строительства, характеризующиеся высокими показателями безопасности, энергоэффективности и экономичности.

Сегодня цеолиты активно применяются в различных сферах человеческой деятельности: как адсорбенты и катализаторы в химической промышленности, в медицинских целях, сельском хозяйстве, охране окружающей среды и иных направлениях [1], [3], [6], [7]. Их уникальные физико-химические характеристики делают цеолиты предметом повышенного научного интереса и практической значимости.

Забайкальский край обладает крупными запасами природных цеолитов объемом около одного миллиарда тонн, использование которого пока остается крайне ограниченным. Создание материалов на основе цеолитов путем целенаправленного физического, химического воздействия представляет собой хорошо изученный метод модификации природных минералов с целью достижения улучшенных физико-химических и технологически важных свойств, усиления каталитической активности и избирательности [6], [7], [8], [9].

Исследование механизмов химических реакций, происходящих при синтезе цеолитосодержащих композиций, определение оптимальных параметров и условий их изготовления для удовлетворения потребностей конкретного промышленного сектора является одной из важнейших задач современной науки и техники в области химии, энергетики, строительной отрасли.

Цель работы — получение и исследование пористых образцов на основе цеолитов Шивыртуйского месторождения в качестве электро- и теплоизоляционных материалов.

2. Методы и принципы исследования

Для получения шихты использовали цеолитсодержащую породу Шивыртуйского месторождения Забайкалья, в составе которой преобладают клиноптилолит, монтмориллонит, SiO2, CaCO3 и др. [1], [6], [7]. В качестве флюсов добавляли соду, жидкое стекло, едкий натр. Пеноцеолиты синтезировали на основе методик [10], [11], путем термического воздействия на гомогенное сырье (рисунок 1).

Состав шихты варьировался (таблица 1) и отличался степенью дисперсности (пробы № ПЦ-1м, ПЦ-2м, ПЦ-3м — имели размер частиц цеолита до 0,5 мм, образцы № ПЦ-1к, ПЦ-2к, ПЦ-3к — с дисперсностью 0,5–1,0 мм).

В работе использован комплекс современных методов исследования: инфракрасная спектроскопия (ИК Фурье спектрометр Shimadzu FTIR-8400S, Япония), оптическая микроскопия (исследовательский стереомикроскоп MEIJITECHNOCO, LTP, Япония), титриметрический и гравиметрический анализ, метод непосредственной оценки электрического сопротивления с помощью мегаомметра Е6-32 (Россия), теплопроводности — с помощью измерителя теплопроводности МИТ-1 (Россия). Полученные результаты обрабатывали в программе Microsoft Excel 2021.

3. Основные результаты

Анализ поверхностей и межфазных границ позволяет получить информацию о механизмах адсорбции, диффузии, фазовом разделении и других явлениях [9], [12]. Изучение морфологии продуктов реакции помогает выявить особенности формирования их внутренней структуры. Оптические изображения образцов пеноцеолитов представлены на рисунке 2.

Фотографии на рисунке 2 демонстрируют влияние размера частиц исходного сырья на вспениваемость продукта. Макро- и микроструктура образцов пеноцеолита зависит от степени дисперсности нативного сырья, особенно в пробах ПЦ-1к, ПЦ-2к, где наблюдаются непроплавленные частицы и крупнозернистость, пробе ПЦ-3к это не характерно. Кроме того, в последнем случае поры имели более четкую структуру и отличались высокой прочностью, стеклообразностью. Известно, что при нагревании цеолитов выше 700 оС начинается процесс оплавления частиц, при этом давление и концентрация газообразователя достигают минимального уровня преодоления сил поверхностного натяжения, что ведет к росту радиуса пор [12], [13].

На рисунке 3 приведены ИК-спектры исходного цеолита и одного из образцов пеноцеолита (спектры всех полученных проб имели сходную картину). В ИК-спектрах образцов пеноцеолитов присутствуют полосы поглощения, характерные для алюмосиликатов (рисунок 3): 3636–3455 см-1 — силанольные группы, 2800–3000 см-1, соответствующие колебательным движениям OH-групп; 1250–800 см-1, 780–760 см-1 соответствующие структуре [SiO₄], 1030–1100 см-1 — валентные колебания О-Si, полосы поглощения 695, 540 и 470 см-1 — деформационные колебания кремний-кислородных связей [14]. Различия, выявляемые на инфракрасных спектрах, объясняются химическим взаимодействием между компонентами, приводящим к преобразованию диоксида кремния (SiO₂) из кристаллического состояния в аморфное.

Спектры пеноцеолитов отличаются сглаживанием и расширением указанных линий, исчезновением двойного максимума. Подобная тенденция отмечается и для специфичных полос карбоната (валентные колебания CO₃²- в области 1468–1395 см-1) и силанольных групп (полосы 3636–3455 см-1) [12], [14].

Присутствие добавок отражается появлением пика 1440 см-1 — маркера СО32-. Карбонаты усиливают полимеризацию силикатного каркаса, что подтверждает изменение полосы в районе 1100 см-1 [7], [14], играют значительную роль в формировании пористой структуры, поскольку при высокой температуре гранулы начинают спекаться, а выделяющийся при разложении карбоната углекислый газ увеличивает размеры пор. Известно, что при нагревании свыше 700°C легкоплавких эвтектик в системе Na2O-SiO2-Al2O3, оксид натрия переходит в жидкую фазу, а освобожденный CO2 накапливается внутри закрытых пор [6], [14].

При получении материалов на основе силикатов происходит распад силоксановых групп ( Si - О - Si ), с образованием силанолятов в щелочной среде (Si−О−Me, где Me — щелочной металл) [12], [14], [15]. Присутствие монтмориллонита (Al2O3·3/5SiO2·nH2O) в Шивыртуйских цеолитах обуславливает сохранение полос поглощения, характерных для воды и свободных гидроксильных групп (1650–1680 см-1) в спектрах пеноцеолитов.

Как видно из представленных в таблице 2 данных, все образцы пеноцеолита имеют низкую теплопроводность, близкую к органическим традиционным теплоизолирующим веществам (пенополиуретан, пеноплэкс, значение которых около 0,04 Вт/(м*К)). Наибольшее электрическое сопротивление продемонстрировала проба ПЦ-3к, наименьшее — ПЦ-1м. Все синтезированные материалы характеризуются более низкими значениями теплопроводности, чем нативный цеолит, особенно образцы ПЦ-1м и ПЦ-1к (на 24 % ниже природного минерала).

По электрическому сопротивлению синтезированные композиции также превосходили исходный цеолит. Так, показатели сопротивления превышают (в среднем) в 1,7 раза (№ 1), в 7,3 раза (№ 2), 22,3 раза (№ 3). Данное явление связано с присутствием в составе композитов оксидов кремния, алюминия и других минералов с низкой электропроводностью, дегидратацией образцов, что сопровождается усилением связи между катионами проводимости и решеткой алюмосиликатов, затрудняет перемещение, снижая проводимость [16], [17].

Таким образом, полученные образцы на основе природных алюмосиликатных минералов Забайкальского края могут стать перспективными электро- и теплоизоляционными материалами.

4. Заключение

Анализ литературы выявил ключевую проблему производства минеральных теплоизоляционных материалов — невозможность целенаправленно контролировать качество конечного продукта. Для устранения этого недостатка, необходимо разработать научно обоснованные методы регулирования технологических процессов. Определение оптимальных параметров термической обработки сырья – сложная задача, в которой неизученным остается влияние динамических изменений температурного поля и размера пор, а также химические реакции, протекающие в исходной смеси компонентов для изготовления пористых композиций.

Теплоизоляционные материалы необходимы для надежной и эффективной защиты промышленной аппаратуры, трубопроводных сетей, строений и конструкций, гарантируя их бесперебойную работу. Разработка и последующее внедрение новых теплоизоляционных материалов, таких как пеностекло, пеноцеолиты, способны стать эффективным инструментом повышения энергетической эффективности в отраслях теплоэнергетики и сопряженных областях [1], [2], [7]. Важным аспектом является создание технологий производства материалов нового поколения, отличающихся качеством и долговечностью, позволяющих вовлекать местные ресурсы минерального сырья и промышленные отходы (угольную золу, шлаки, отвалы, хвосты) для минимизации отрицательного воздействия на окружающую среду и повышения экономической отдачи добычи полезных ископаемых [3], [6].

Экспериментально показана возможность создания электро- и теплоизоляционных материалов на основе цеолитсодержащих пород Шивыртуйского месторождения и минеральных флюсов. Синтезированные материалы отвечают основным требованиям, предъявляемым к теплоизоляционным материалам (пористость, достаточная механическая прочность, пожаробезопасность, стойкость к воздействию высоких температур, влаги, нефтепродуктов, электричества).

Результаты убедительно показывают перспективность дальнейших исследований в данном направлении, в особенности с точки зрения важности создания безотходных технологий, бережливого расходования ресурсов и повышения экологичности производственного цикла.

The additional file for this article can be found as follows: