البنتونيت: تطبيقات مع الفحم كما بنتونيت كلاي في تطبيقات مُسبك، وغيرها

بعيدا عن الاستخدام فقط لصنع الطوب ، البنتونيت هو شكل من أشكال الطين التي وجدت العديد من الاستخدامات على مدى آلاف السنين من الاستخدام -- ولكن ربما أبرزها في الانكسار من عام 1900 فصاعدا ، جنبا إلى جنب مع مسحوق الفحم من بين ثروة من التطبيقات الأخرى. المشتركة بينها هو الحاجة إلى أفضل نوعية الطين البنتونيت والفحم anthracite - مثل تلك المتاحة من بيغماتيت الأفريقية.

مقدمة

البنتونايت هي الطين فيلوسيكات الألومنيوم التي تتكون في الغالب من مونتمورونيت. Montmorillonite نفسها هو نوع من smectite dioctahedral - هيكل الكريستال الذي هو طبقة تحمل الهندسة الثمانية تقع بين طبقتين من الهندسة رباعية السطوح. يتم ترسيم أنواع البنتونايت باسم المعدن الأكثر انتشارًا فيها ، على سبيل المثال بنتونايت الصوديوم (Na-bentonite) والكالسيوم البنتونايت (Ca-bentonite). Na-bentonite هي واحدة من الأكثر شيوعا، وثمن لقدرته على تضخم، والتسامح من درجات الحرارة العالية ويعتبر عموما الموثق أفضل(1). نا بنتونيت ينبع من الرماد البركاني الذي تم إيداعه في البيئات البحرية منذ فترة طويلة. من ناحية أخرى، لا يعرف Ca-bentonite لخصائصه التورمية، وهو نفسه مشتق من الرماد البركاني المترسب في بيئات المياه العذبة(2). فيما يتعلق بالمياه، يتم القضاء على المياه الهيكلية من البنتونيات عن طريق التدفئة في نطاق 400 إلى 500 درجة مئوية، ويتم تغيير هيكل الكريستال تماما وراء 900 درجة مئوية. بالمقارنة مع الكاولين مماثلة كيميائيا، ويعتبر البنتونايت كما أكثر سهولة مصبوب وملبد.

البنتونيت لديها مجموعة واسعة من الاستخدامات من مستحضرات التجميل إلى المنظفات، و desiccants إلى الأسمدة. هنا، سوف نركز في الغالب على استخدام البنتونايت في
تطبيقات المُسبك،
خاصة عندما يكون قد تم خلطه مع الفحم. عادة مع الطين البنتونايت، والفحم في الاختيار هو anthracite. في حد ذاته مواد تستخدم على نطاق واسع، خارج الوقود وجدت أنها تستخدم في البيئات العليا وغيرها من المواد.

مزائج الفحم البنتونية غير مكلفة، والتي بالإضافة إلى استخدامها على نطاق واسع مفصلة أدناه، ويضيف إلى جاذبيتها في البيئات الصناعية.

استخدام البنتونايت في بيئات مُسبك مع الفحم

مسبوكات رمال خضراء وجافة

الاستخدام الأكثر اتساعا وشائعة لخلائط الانثراسيت البنتونايت هو في قطاع الصب مسبك. هو ذكر أنّ تقريبا 70% مصنوعة من حديدية صب من خضراء يصبّ رمل(3). في مسبوكات الرمال الخضراء ، يقام الرمل مع بنتونايت / الطين والماء كرقم ؛ ويقال أن تكون "الخضراء" كما قوالب هي إلى حد كبير قابلة لإعادة الاستخدام وقابلة لإعادة التدوير. هذا الرمل الأخضر يحتوي على صب في المنطقة من 10٪ من كتلة من الطين البنتونايت، ما يصل إلى اثنين في المئة الكربون (أي الفحم)، ما يصل إلى 5٪ المياه مع التوازن يجري الرمال. ويقال إن مونتموريلونيت أن تكون المفتاح في عملية الإنتاج الصب، ولا سيما مع احترام لتجديد العفن(4).

وجدت دراسة تبحث في قابلية تدفق الرمال الخضراء لتطبيقات الصب أن البنتونايت ضروري في السماح بتدفق الرمال الجيد (وبالتالي قالب صب أفضل) وأن النسبة المثالية للبنتونيت إلى المادة الكربونية هي 3:1 (5) ومحتوى مائي لا يزيد عن 3٪. وقد وجدت دراسات أخرى الأمثل التحميلات البنتونايت من 5٪ كتلة; إعطاء قوة ضغط من 53 كيلو ن / م² بينما تبقى سهلة للتعامل (6).

القوة الساخنة والجافة هي المتطلبات الرئيسية للصب الرمل الأخضر، وبالتالي بنتونيت الصوديوم هو التكرار المفضل من الطين (7). في عملية الصب، فقط كميات صغيرة جدا من montmorillonite تصبح متحللة، و bentonite التي تحتوي على ما يزيد على 70٪ montmorillonite من قبل الكتلة ويفضل لتطبيقات الصب. وتستخدم المواد الكربونية مثل الفحم في صب رمال العفن والإضافات، ويتم حرق معظمها قبالة. والسبب في استخدام المواد الكربونية (الفحم) هو ضمان الانتهاء من السطح أفضل على المعدن عن طريق منع المعادن المنصهرة خلط مع الرمال في عملية تسمى التبول. عادة للرمال الخضراء ، والفحم هو في شكل غبار ومصدر من الانثراسيت -- واحدة من أشكال الفحم مع ارتفاع الكربون وانخفاض محتوى الكبريت.

في
الانكسارات castable، حيث تم استخدام الفحم البنتونايت،
وقد شوهد خصائص التمدد الحراري لتعزيز. كما زادت مقاومة الصدمات الحرارية (8) في الانكسار الكالسيد.

وفيما يتعلق بمسبوكات الرمال الجافة، فإن المبادئ هي نفسها إلى حد كبير باستثناء عدم إعطاء الأولوية لإعادة التدوير. يمكن استخدام بنتونايت الكالسيوم في تطبيقات صب الرمال ، ولكنها أكثر عرضة للتآكل وأكثر عرضة للزخراب والعيوب الأخرى الناجمة عن التوسع (9). عموما، يمكن القول أن إضافة البنتونايت إلى قوالب صب الرمال الخضراء والجافة يزيد من flowability وقوة الضغط، مع الاحتفاظ التسامح الحرارة العالية. وتشير التقديرات إلى أن الصب الصناعي يستخدم ما يزيد على 25٪ من العرض العالمي للإنتاج من البنتونايت كل عام(10). قوة الضغط الرطب (أي قبل علاج أو يستريح من القالب) هو أعلى مع كميات متزايدة من البنتونايت والفحم (11) - وهو خاصية مفيدة ينبغي أن تستخدم أي نوع من البثق أو عملية الضغط الميكانيكية في تشكيل العفن.

يمكن استخلاص كل من الرمال والطين البنتونايت من عمليات المُسَبك(12). وباستخدام عملية "الأكسدة المتقدمة"، يتم تعزيز استصلاح وإعادة تدوير البنتونيت المستعمل (13). العملية يأخذ البنتونيت المستهلكة والرمال من عملية الصب، يعامل عليه التأكي واستخدام هذه المنهجية يزيل البنتونيت دمرت حراريا في قناة النفايات. بالمقارنة مع النظام التقليدي، فإن معالجة الأكسدة المتقدمة هذه ترسل 3% فقط من البنتونايت (حسب الوزن) إلى النفايات، مقارنة بنسبة 30-50%. هذه العملية مفيدة لأنها تقلل من كمية البنتونيت الطازجة المطلوبة لـ "الماكياج" عند تشكيل قالب صب جديد.

استخدامات الفحم البنتونية الأخرى

في الأدب براءات الاختراع، وقد استخدمت البنتونايت جنبا إلى جنب مع غبار الفحم لإصلاح بطانات الفرن الانفجار (14) وتضرر أجزاء من العدائين من خلال الأفران أو القباب (15). كلا الأسلوبين، في جوهره، استخدام الفحم البنتونايت جنبا إلى جنب مع غيرها من المواد مثل الجرافيت وكلوريد الكالسيوم لإنتاج المعجون الذي يطبق على كسر، ويشفي بسرعة في الموقع. تم تصميم هذه الإصلاحات لتكون صغيرة الحجم.

استخدام البنتونايت في بيئات الانكسار بدون الفحم

بيليتيز من خام الحديد هو واحد من الاستخدامات الرئيسية للطين البنتونايت في الانكسارات دون الفحم. يتم استخدام البنتونايت كتدفق، مما يجعل إطلاق عملية أقل كثافة في استهلاك الطاقة، ويسمح لأكسدة المغنطيسية إلى الهيماتيت قبل الفرن الانفجار(16). يجعل التكوير عملية ذوبان أكثر كفاءة بسبب مساحة أكبر إلى نسبة الحجم ، ويتم في فرن النفق ، مما يؤدي إلى كريات على شكل كرة. وقد أفيد أن نسبة المضافات (أي البنتونايت والجمرة الخبيثة) لها تأثير عميق على العملية الشاملة لتشكيل الكريات، وإبلاغ خصائص مثل قوة الضغط الباردة والمسامية من بين أمور أخرى(17).

في إنتاج الطوب الطيني النار، فقط 1.5٪ من الوزن إضافة البنتونايت للمواد المعتادة زيادة قوة الضغط بشكل كبير - ويعتقد أن البنتونيت يزيد من تخثر الخليط. تؤدي زيادة المسامية والمساحة السطحية الداخلية إلى تحسين الأداء الحراري(18).

وعلاوة على ذلك ، في إنتاج الطوب الحراري القائم على الكاولين في الغالب ، ثبت أن إضافة البنتونايت بنسب 2٪ تزيد من قوة وكثافة الطوب المنتج - مع تقليل التكلفة (19). في وقت مبكر كما في 1970s الاتحاد السوفياتي، كانت مرافق إنتاج الطوب تجريب استبدال جزئي من الطين والرمال التقليدية في الكاولين التي تحتوي على الطوب لأداء عال والتطبيقات الزخرفية. أفاد المؤلفون أن زيادة الكثافة والقوة في الطوب المنتج كانت في حوالي 19٪ - كل ذلك مع تقليل التكلفة الإجمالية بمئات الآلاف من الروبل ، وهي قيمة كبيرة في ذلك الوقت. ولا تزال نفس المبادئ تطبق اليوم.

استخدامات أخرى من البنتونيت والفحم

وقد استخدمت منذ فترة طويلة بينتونيت-أنثراسيت (حيث الأنثراسيت هو نوع متفوقة من الفحم) لفصل النفط وإزالتها من السوائل. المفهوم الرئيسي الذي يجعل البنتونيت مادة قابلة للحياة لهذا المجال هو أنه مادة ماصة ممتازة في حد ذاته (20). تعتمد الطبيعة الماصة على استبدال مضاد Na أو Ca بالنيتروجين على أمين رباعي. وهذا يعزز الهيلية العضوية (انظر لاحقا). ويقال إن البنتونيت انتقائي إلى حد ما بالنسبة للمواد العضوية بما في ذلك البنزين والنفط الخام والمنتجات النفطية. كما anthracite لديه كثافة مماثلة للطين البنتونيت، فإنها تختلط بشكل جيد، مع anthracite منع أي امتصاص متقدمة في الطين البنتونيت تورم بالفعل. ومع ذلك، فإن الامتصاص السائل للنظام يتضاءل بشكل كبير عند درجات الحرارة المرتفعة(21).

استخدمت إحدى الدراسات خليطًا من 30٪ من الطين البنتونايت الوزن و 70٪ غبار الفحم لإزالة الزيت من الزيوت الاصطناعية واستحلابات الزيت / الماء بكفاءة تصل إلى 98٪. هذه الخصائص ترجع إلى ملف المسامية من البنتونيت، وحقيقة أنه هو organophilic(22). الجمرة الخبيثة لديها كثافة السائبة مماثلة للطين البنتونايت ويبطئ امتصاص الزيوت المبكرة في الطين تورم. هذا الامتصاص فعال فقط في درجات الحرارة المنخفضة - القدرة على امتصاص السوائل تنخفض بسرعة بعد التدفئة حتى بعد 100 درجة مئوية متواضعة (23). وهذا له تطبيقات محتملة في الانسكاب النفطي والتنظيف الصناعي العام.

حقيقة أن المخائط الانثراسيت البنتونيت هي organophilic للغاية يفسر فعاليتها وكفاءتها واسعة في فصل النفط وتنظيف الفضاء. سهولة الاستخدام يأتي في اللعب، أيضا، مع أحجام الجسيمات مقياس الماكرو من 0.85 إلى 2.36 مم قبل تضخم معنى أنه بمجرد تضخم والكامل للملوثات، والترشيح استبعاد حجم بسيط هو أكثر من كافية لإزالة كل شيء(24).

على نطاق واسع، وتستخدم خليط من البنتونيت والفحم كما بطانات مدافن النفايات وقبعات. بعد السلوك الماصة المذكورة أعلاه من الخلائط البنتونيت-الأنثراسيت، في مكب النفايات، هو قصب السبق لقدرتها على امتصاص المواد الضارة التي تتسرب من كومة القمامة، مثل المعادن الثقيلة (25) بما في ذلك الكادميوم والرصاص والنيكل. في هذه الدراسة، استخدمت البنتونايت في نسبة 2:1 إلى الفحم، وتستخدم تماما جنبا إلى جنب مع الرمال. حاسمة في مثل هذه التطبيقات هو مقاومة المواد الإجمالية للضغط، وقد وجد أن الرمل بنتونيت الفحم معارض قوة ضغط جيدة وكثافة عالية عندما يتم استخدام جميع المكونات الثلاثة معا(26). وفي دراسات أخرى مماثلة، تبين أن البنتونيت والفحم مادة ماصة جيدة لمجموعة متنوعة من الملوثات السائلة القائمة الناشئة عن مجاري النفايات ومكب النفايات - ولكن المؤلفين لاحظوا أنه لا يوجد أي تأثير لمواد نوع الكربون من تلقاء نفسها، بل يتطلب وجود البنتونيت لامتصاص الملوثات بفعالية(27). وقد اعتمد هذا السلوك في أماكن أخرى مع نتائج فعالة ضد الرصاص الرشح تبين فعالية نظام فحم البنتونيت (28).

وفيما يتعلق بتنظيف الصناعة والتعدين، تجد الخلائط البنتونيت - الأنثراسيت استخدامات واسعة النطاق، ولا سيما في مجال تصريف المناجم الحمضية - وهي مشكلة شائعة تواجه قطاع تعدين المعادن. ويمكن أن تصبح المياه الجوفية ملوثة بسهولة بمختلف مخلفات وعمليات الجريان السطحي الناجمة عن عمليات التعدين، ويجب منعها من دخول المجاري المائية المحلية. وتبين أن المياه الجوفية القريبة من مناجم الفحم في أفريقيا جنوب الصحراء الكبرى تصل إلى تركيزات سامة وضارة تبلغ 300 1 ملغم من الحديد-^1. وقد ثبت أن الترشيح البسيط للمياه باستخدام طين البنتونايت والجمرة الخبيثة والرماد المتطاير يقلل بشكل كبير من مستويات الحديد في الماء (29).

ومع ذلك، لا تقتصر مخلفات المناجم على السهولة النسبية للتعامل مع الحديد. وأيونات المعادن الثقيلة الأخرى - بما في ذلك الكبريتيدات - هي ملوثات معروفة وتحتاج أيضا إلى إزالتها. وقد أظهرت الأبحاث أن ترشيح البنتونايت أنثراسيت فعال في إزالة أكثر من 80٪ من أنواع الحديد (بما في ذلك الكبريتيدات) في دراسة واحدة باستخدام عمود فلتر الانثراسيت البنتونايت (30). على الرغم من أنها لم تؤد وكذلك مرشحات الزيوليت الصف التجاري، تم تجريد مياه الصرف الصحي الصناعية إلى حد كبير من الملوثات عندما تم استخدام عمود مرشح البنتونيت-الأنثراسيت مجتمعة تحمل مساحة سطح حوالي 1 م² غرام^-1. لاحظ المؤلفون أداء جيدا بشكل خاص من حيث إزالة أي مواد عضوية متبقية ، حيث تفوقت على الزيوليت.

لهذه المنشآت، إضافة أقل من الطين البنتونيت 10٪ من حيث الوزن إلى خليط الرمل والفحم فعالة في تعزيز مستويات الامتصاص من الطين والرمل الفحم النظام. ولوحظ أن وجود الأنثراسيت يحد من قدرات تورم الخليط - الذي اعتبر مفيدا (31).

في إنتاج قوالب الفحم ، تم العثور على إضافة طين الكاولين وخاصة البنتونيت لرفع درجة حرارة قابلية دمج الرماد ، مما يجعل التغويز أكثر كفاءة(32). في بعض الأحيان يتم تجاهلها على أنها طين يتصرف تقليديا ، يمكن تشكيل البنتونيت في الطوب والمتجانسات تماما مثل أي مادة أخرى من نوع الطين. عندما يقترن النفايات إنتاج ferrochrome ومصدر للكربون (على سبيل المثال، مسحوق الانثراسيت)، يمكن إنتاج مواد الانكسار السيراميك التي هي قادرة على تحمل درجات الحرارة حوالي 200 إلى 300 درجة مئوية أعلى مما كانت عليه عندما يتم استخدام الطين "العادي" - وهذا هو على الأرجح بسبب تأثير البنتونيت والمواد الكروم المتبقية من النفايات الحديدية(33).

في كثير من الحالات ، قد يكون إعداد الجمع بين ترشيح البنتونيت - الأنثراسيت إلى جانب طريقة أخرى (مثل الزيوليت أو الزجاج الأرضي) هو الأنسب.

موجز

البنتونايت هو نوع من الطين الذي يُقدّر له لمساميته وقابليته للتطبيق وطبيعته غير السامة
في تطبيقات المُسَجَز، يتم استخدامه مع الفحم (الفحم البنتونيت) في الرمال/الرمال الخضراء صب لصب المعادن؛ حيث أنه يعزز خصائص الانكسار من العفن في حين زيادة أيضا قوة و flowability
يمكن استخدام البنتونايت والفحم معا لإصلاح فرن على نطاق صغير
لتطبيقات الانكسار بدون الفحم، يستخدم البنتونايت في ركاز الحديد وخام إنتاج الطوب الطيني في الحريق لزيادة القوة
وتشمل التطبيقات الأخرى مع الفحم عمليات فصل النفط في الانسكابات النفطية وتنظيف الصناعة؛ بطانات المكب وتعزيز إنتاج قوالب الفحم

مزيج من البنتونيت والفحم (أو anthracite) فعالة للغاية عبر مجموعة من الإعدادات من الصب المعدني لتنظيف الصناعية. بيغماتيت الأفريقية هي المورد الرئيسي للجمرة الخبيثة، والطين البنتونيت ومجموعة من المعادن الأخرى مناسبة ومصممة خصيصا لمجموعة متنوعة من التطبيقات. تفتخر بأوسع تجربة وأروع التقنيات المنزلية ، فإن Pegmatite الأفريقية هي الشريك الصناعي المفضل.

مرجع

1 س. باز وآخرون، قوس. المسبك المهندس، 2019، 19، 35

2 غ. ألثر, الحياه الفطريه. المهندس. (جيوستشي)، 2004، 10، 347

3 A. Bobrowski وآخرون، ج. الجزيئية Struct.، 2008، 880، 109

4 ز. رادويفيتش و أ. ميتروفيتش، J. Eur. (سيرام) شركه نفط الجنوب.، 2007، 27، 1691

5 Y. تشانغ و H. Hocheng, ج. مات. بروك. التكنولوجيا.، 2007، 113، 238

6 سي سايكايو وس. فينغوسيت، (آبل) كلاي ساي.، 2012، 61، 26

7 أمريكا مُسَبكة الجمعية القسم التقني، الصب الحديثة، 2016، 106، 42

8 و. تشانغ وآخرون، الحديد والصلب في العالم، 2010، 4 ، 1

9 J. R. براون (ed.), Foseco دليل المسبك الحديدية,11th ed., بتروورث-هاينمان, أكسفورد, 2000

10 د. د. أيزنهور و ر. ك. براون، عناصر، 2009، 5، 83

11 و. تشنكينغ، الذقن. ج. ميتش. المهندس.، 2000، 8، 1

12 الولايات المتحدة براءة الاختراع US6554049B2, 2001

13 ج. ج. et al. الحياه الفطريه. الخيال العلمي. التكنولوجيا., 2005, 39, 7712

14 الولايات المتحدة براءة الاختراع US3600480A، 1969، انتهت صلاحيتها

15 الولايات المتحدة براءة الاختراع US4102694A، 1976، انتهت صلاحيتها

16 H. H, موراي, علم المعادن الطين التطبيقية: حوادث, تجهيز وتطبيقات الكاولين, بنتونايت, Palygorskite-sepiolite, والطين المشتركة, Elsevier, أمستردام, 2006

17 ب. بروستي وك. باريك، الام. اليوم: بروك., 2020, في الصحافة, DOI: 10.1016/j.matpr.2020.03.118

18 م. إ. ه. شلبي وآخرون، ج. خام خلع الملابس، 2009، 11 ، 25

19 V. V. Zaikova وآخرون, الانكسار , 1974, 15, 673

20 G. R. Alther et al., إدارة النفايات (أمستردام), 1996, 15, 623

21 ر. إ. غريم، كلاي مينرالوجي، إد الثاني، ماكجرو هيل، نيويورك، 1968

22 ه. معاذ و ت. فيراغافان، (إنرج) مصادر، 2005، 27، 101

23 ر. إ. غريم، كلاي مينرالوجي، إد الثاني، ماكجرو هيل، نيويورك، 1968

24 ه. معاذ و ت. فيراغافان، (إنرج) مصادر، 2005، 27، 101

25 ج. سوبتي وس. ك. سينغ، الباحث. جي جيوتيك. المهندس.، 2017، 411، 1

26 ج. سوبتي وس. ك. سينغ، IOP Conf. Ser.: ماتر. Sci. Eng., 2017, 225, 12091

27 ج. سوبتي وس. ك. سينغ، الباحث. جي جيوتيك. المهندس., 2019, 13, 411

28 Y.-G. تشن وآخرون، ظ. العاجي. المهندس., 2019, 1