Реологические свойства поликомпонентной гипсосодержащей суспензии | Статья в журнале «Молодой ученый»

Автор:

Рубрика: Химия

Опубликовано в Молодой учёный №9 (56) сентябрь 2013 г.

Дата публикации: 27.08.2013

Статья просмотрена: 152 раза

Библиографическое описание:

Румянцева Е. Л. Реологические свойства поликомпонентной гипсосодержащей суспензии // Молодой ученый. — 2013. — №9. — С. 14-16. — URL https://moluch.ru/archive/56/7667/ (дата обращения: 24.09.2018).

Установлено, что поликомпонентная гипсосодержащая суспензия с влажностью 80 % обладает слабыми структурными связями, характеризуется неполным тиксотропным восстановлением структуры после снятия напряжения сдвига и является тиксолабильной.

Ключевые слова: высокоосновный шлак, реология, тиксотропия, тиксолабильность, коагуляционные контакты.

Важнейшим условием получения материалов с заданными физико-механическими свойствами является управление процессом структурообразования дисперсных систем на всех стадиях технологического процесса и, особенно в начальном периоде.

Наибольший интерес в этом плане представляют суспензии — дисперсные системы, в которых дисперсной фазой являются частицы твердого вещества размером более 10–5 см, а дисперсионной средой — жидкость. Объектом нашего изучения является поликомпонентная гипсосодержащая суспензия, полученная в результате химической переработки высокоосновного шлака Челябинского электрометаллургического комбината.

Целью настоящей работы является исследование реологических характеристик гипсосодержащей суспензии, позволяющих оценить свойства структуры, возникающей на ранней стадии.

Самораспадающийся феррохромовой шлак (марка СФШ, ТУ 14–11–325–97) был предоставлен нам Челябинским металлургическим комбинатом. Химический и минералогический состав указанного шлака позволяет считать его подходящим сырьем для получения поликомпонентной гипсосодержащей суспензии (ПГСС) [1, 2].

Для получения суспензии шлак смешивался с водой в соотношении 1:10. Суспензия интенсивно перемешивалась в течение 3–5 минут. Плотность суспензии составила 1,05 г/см3. При интенсивном перемешивании в суспензию добавлялась концентрированная серная кислота (ω = 98 %, ρ = 1,834 г/см3, по ГОСТ 4204–77) в стехиометрическом соотношении, рассчитанном на полное выщелачивание минералов шлака. Готовность суспензии к проведению реологических исследований достигалась после непрерывного перемешивания в течение 30 минут и достижения нейтральной реакции среды.

При обработке суспензии шлака серной кислотой дисперсную фазу образуют ультрадисперсные кристаллы дигидрата сульфата кальция и частицы кремниевой кислоты. В дисперсионную среду переходят сульфаты алюминия, магния, хрома, железа. Содержание дигидрата сульфата кальция в дисперсной фазе суспензии составило 79 масс. %, кремниевой кислоты — 21 масс. %.

Характер реологических кривых определяется характером зависимости эффективной вязкости от градиента скорости сдвига: η = f(γ). Из анализа зависимости следует, что поликомпонентная гипсосодержащая суспензия характеризуется тиксотропным характером течения: вязкость монотонно убывает по мере увеличения градиента скорости сдвига (рис. 1). После снятия напряжения наблюдается некоторое восстановление вязкости, несовпадение хода кривых при движении «сверху вниз» (при > γ) и «снизу вверх» (при < γ) от максимального до минимального значения свидетельствует о том, что тиксотропного «залечивания» не происходит даже при длительном деформировании системы с изменением γ → . Итак, для поликомпонентной гипсосодержащей суспензии характерно неполное тиксотропное восстановление структуры после снятия напряжения сдвига, следовательно, дисперсную систему можно охарактеризовать как тиксолабильную. С течением времени (в пределах 30 минут) не наблюдается заметного структурирования системы — эффективная вязкость суспензии не превышает 4 Па•с.

Рис. 1. Зависимость эффективной вязкости свежеприготовленной суспензии от градиента скорости при прямом и обратном ходе

Таким образом, реологические свойства ПГСС могут быть охарактеризованы двумя величинами вязкости: ньютоновской η (или ηmin) для предельно разрушенной структуры и пластической η в промежуточной области. Особенностью анализируемых реологических кривых является отсутствие линейного участка кривой течения при малых напряжениях сдвига, что отвечает такому состоянию, когда структурные элементы при течении разрушаются, но время их восстановления больше времени разрушения. Рассмотренные реологические свойства типичны для систем с коагуляционной структурой.

Проявление структуры, её прочность, можно оценить величиной предела текучести, а также разностью ηmax — ηmin особенно в жидкообразных системах. Чем больше эта разность, тем прочнее структура. У свежеприготовленной суспензии значения предела текучести и напряжения, необходимого для полного разрушения структуры, совпадают и составляют 2,53 Па. Вязкости ηmax и ηmin отличаются незначительно, в пределах 4,5 Па•с. Отмеченные факты свидетельствуют о наличии слабых коагуляционных контактов.

Из анализа зависимости градиента скорости сдвига от напряжения сдвига (рис. 2) следует, что полученную суспензию можно считать жидкообразной структурированной системой со слаборазвитой пространственной структурной сеткой. По-видимому, в этом случае толщина прослоек дисперсионной среды является чрезмерной и оказывает экранирующее воздействие на формирование коагуляционных контактов и непосредственное сцепление между твердыми частицами.

Рис. 2. Зависимость градиента скорости сдвига свежеприготовленной суспензии от напряжения сдвига

С течением времени наблюдаются структурные изменения в анализируемой системе. Так, на реологической кривой течения гипсосодержащей суспензии γ = f(τ) через 15 минут фиксируется область возврата по оси напряжений при низких значениях градиента скорости сдвига (1,8–5,4), при этом вязкость изменялась от 1,011 до 0,352 Па•с. Неравномерное распределение частиц в объеме системы приводит к возникновению локальных областей с различным числом коагуляционных контактов и формированию микронеоднородной структуры с двумя пределами текучести при Рт = 2,3 и 2,75 Па.

Кривые течения жидкообразных структурированных систем могут быть представлены в координатах «вязкость — напряжение сдвига». Для реологической кривой η = f(τ) (рис. 3) свежеприготовленной суспензии характерен флуктуационный характер процесса разрушения и последующего восстановления коагуляционных контактов, что также свидетельствует о наличии микронеоднородностей в анализируемой системе.

Рис. 3. Зависимость вязкости суспензии от напряжения сдвига во времени

Степень разрушения структуры (α), вычисленная по формуле, предложенной П. А. Ребиндером, позволила установить, что в первой зоне разрушения структура разрушилась на 67 % при повышении градиента скорости до γ = 1,8 , во второй — на 25, 6 % при достижении градиента скорости сдвига 5,4  и в третьей — на 7,4 % при достижении градиента скорости сдвига 145,8  (рис. 2.7). Таким образом, практически мгновенно, при изменении γ от 0,3 до 0,6 , число разрушенных связей уменьшается на 45 %.

Однако с течением времени обнаруживается слабо выраженная, но явно обнаруживаемая аномалия в характере изменения вязкости, характерная для кривых II типа. Появление плато с практически постоянной или незначительно снижающейся вязкостью, равно как и области, характеризующейся «обратным» ходом напряжения сдвига, может свидетельствовать о наличии локальной зоны разрушения. Аномальный характер кривых течения анализируемой низкоконцентрированной суспензии может быть связан с наличием нескольких зон, представляющих собой дисперсионную среду, содержащую отдельные частицы и агрегаты частиц. Эти зоны чередуются со структурированными слоями. Помимо этого необходимо учитывать поликомпонентный состав полученной суспензии.

Из вышеизложенного можно заключить, что полученная низкоконцентрированная суспензия обладает достаточно стабильными реологическими свойствами и может быть использована в качестве наноинициатора схватывания и твердения при приготовлении цементных растворов [3].

Литература:

1.                   Румянцева Е. Л., Белецкая В. А. Шлак ОЭМК — сырье для химической переработки // Экология и промышленность России. — 2010. — № 1. — С. 15–17.

2.                                                   Румянцева Е. Л., Белецкая В. А., Корниенко И. Д. Исследование коллоидно-химических закономерностей выщелачивания высокоосновного сталеплавильного шлака // Известия ТулГУ. Естественные науки. — 2010. — Вып. 1. — С. 197–204.

3.                   Белецкая В. А., Румянцева Е. Л. Перспективы использования электросталеплавильных шлаков ОЭМК // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. — № 3. — 2011. — с. 140- 144.



[1] Работа выполнена при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере в рамках программы СТАРТ (госконтракт № 9131р/14864).

Основные термины (генерируются автоматически): дисперсионная среда, суспензия, напряжение сдвига, течение времени, свежеприготовленная суспензия, восстановление структуры, кремниевая кислота, достижение градиента скорости сдвига, дисперсная фаза, эффективная вязкость.


Ключевые слова

высокоосновный шлак, реология, тиксотропия, тиксолабильность, коагуляционные контакты.

Похожие статьи

Влияние биологически активных веществ на физико-химические...

Затем, пустив суспензию через центрифугу, была получена суспензия с высокой концентрацией (паста).

Образованная система будет состоять из воды (дисперсионная среда) и твердых частиц глины (дисперсная фаза).

Исследование адсорбционных свойств мицелия базидиомицета...

Растворы КOH готовили на дистиллированной воде, предварительно освобожденной от СО2 воздуха кипячением в течение 30 минут.

10. Родионова Е. Ю., Дмитриева И. Б., Чухно А. С. Влияние состава дисперсионной среды на устойчивость и электрокинетические свойства...

Золь-гель процессы при разложении высокоосновного шлака...

Ключевые слова: высокоосновный шлак, коллоидная кремниевая кислота

технических дисперсий в условиях постоянно изменяющегося состава и ионной силы дисперсионной среды и дисперсной фазы. Для эксперимента использовалась водная суспензия шлака с Ж/Т=1...

Моделирование процессов фильтрации суспензии в пористой...

Они зависят не только от «качества» дисперсной фазы, но и от скорости и структуры потока, а также геометрии слоя. Кинетика осадка образования в процессе фильтрация суспензии в пористой среде, как правило определяется в виде [6].

Методы изучения реологических свойств почв | Статья в журнале...

Вязкость жидкости, рассматриваемая как отношение напряжения сдвига к соответствующему градиенту скорости (так называемая эффективная вязкость), перестает быть постоянной величиной и непрерывно падает с ростом градиента скорости или напряжения сдвига.

Материалы и реагенты для приготовления промывочных...

Наиболее эффективен в щелочной среде при pH = 8–10.

Основные термины (генерируются автоматически): глинистый раствор, реагент, раствор, глинистая корка, кальцинированная сода, дисперсная система, каустическая сода, статическое напряжение сдвига, твердая фаза...

Реологические методы для характеристики структурного состояния...

На начальной стадии деформации почв обычно в состоянии максимального набухания на кривой зависимости эффективной вязкости от напряжения сдвига появляется дилатантный пик увеличения вязкости системы, который образуется вследствие расслоения дисперсной...

Изучение структурно-механических свойств кисломолочных...

порошок корня сельдерея, градиент скорости сдвига, эффективная вязкость, контрольный образец, площадь петли гистерезиса.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Влияние биологически активных веществ на физико-химические...

Затем, пустив суспензию через центрифугу, была получена суспензия с высокой концентрацией (паста).

Образованная система будет состоять из воды (дисперсионная среда) и твердых частиц глины (дисперсная фаза).

Исследование адсорбционных свойств мицелия базидиомицета...

Растворы КOH готовили на дистиллированной воде, предварительно освобожденной от СО2 воздуха кипячением в течение 30 минут.

10. Родионова Е. Ю., Дмитриева И. Б., Чухно А. С. Влияние состава дисперсионной среды на устойчивость и электрокинетические свойства...

Золь-гель процессы при разложении высокоосновного шлака...

Ключевые слова: высокоосновный шлак, коллоидная кремниевая кислота

технических дисперсий в условиях постоянно изменяющегося состава и ионной силы дисперсионной среды и дисперсной фазы. Для эксперимента использовалась водная суспензия шлака с Ж/Т=1...

Моделирование процессов фильтрации суспензии в пористой...

Они зависят не только от «качества» дисперсной фазы, но и от скорости и структуры потока, а также геометрии слоя. Кинетика осадка образования в процессе фильтрация суспензии в пористой среде, как правило определяется в виде [6].

Методы изучения реологических свойств почв | Статья в журнале...

Вязкость жидкости, рассматриваемая как отношение напряжения сдвига к соответствующему градиенту скорости (так называемая эффективная вязкость), перестает быть постоянной величиной и непрерывно падает с ростом градиента скорости или напряжения сдвига.

Материалы и реагенты для приготовления промывочных...

Наиболее эффективен в щелочной среде при pH = 8–10.

Основные термины (генерируются автоматически): глинистый раствор, реагент, раствор, глинистая корка, кальцинированная сода, дисперсная система, каустическая сода, статическое напряжение сдвига, твердая фаза...

Реологические методы для характеристики структурного состояния...

На начальной стадии деформации почв обычно в состоянии максимального набухания на кривой зависимости эффективной вязкости от напряжения сдвига появляется дилатантный пик увеличения вязкости системы, который образуется вследствие расслоения дисперсной...

Изучение структурно-механических свойств кисломолочных...

порошок корня сельдерея, градиент скорости сдвига, эффективная вязкость, контрольный образец, площадь петли гистерезиса.

Задать вопрос