CC BY
25
ПИГМЕНТЫ НА ОСНОВЕ ШПИНЕЛИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА
Алимджанова Джонон Исматовна
канд. хим. наук, доцент, Ташкентский химико-технологический институт,
100011, Узбекистан, г. Ташкент, ул. Навои 32
Шамуратова Шахида Мирсагатовна
канд. техн. наук, доцент, Ташкентский химико-технологический институт,
100011, Узбекистан, г. Ташкент, ул. Навои 32 E-mail: shamuratova.shm@gmail.com
Косымов Умид Уролович
магистр, Ташкентский химико-технологический институт, 100011, Узбекистан, г. Ташкент,ул. Навои 32
PIGMENTS BASED ON SPINAL DRILLS WITH THE USE OF WASTE PRODUCTS
Jonon Alimjanova
candidate of chemical sciences, associate professor, Tashkent Institute of Chemical Technology,
100011, Uzbekistan, Tashkent, Navoi 32
Shakhida Shamuratova
candidate of technical sciences, associate professor, Tashkent Institute of Chemical Technology,
100011, Uzbekistan, Tashkent, Nawoi 32
Umid Kosimov
master student, Tashkent Institute of Chemical Technology, 100011, Uzbekistan, Tashkent, Navoi str. 32
АННОТАЦИЯ
Получены пигменты с красно-коричневыми окрасками на основе шпинели путем изоморфных замещений ионов алюминия и железа в составе глиноземистого отхода Шуртанского газохимического комплекса и железосодержащего отхода Алмалыкского горно-металлургического комбината Республики Узбекистан.
ABSTRACT
Pigments with red-brown stains on the basis of spinel are obtained by isomorphic substitutions of aluminum and iron ions in the composition of the alumina waste of the Shurtan gas chemical complex and iron-bearing waste of the Almalyk Mining and Metallurgical Combine of the Republic of Uzbekistan.
Ключевые слова: керамические пигменты, шпинель, глиноземистый отход, железосодержащий отход, изоморфное замещение, спектры отражения, термическая устойчивость, химическая стойкость.
Keywords: ceramic pigments, spinel, alumina waste, iron-containing waste, isomorphous substitution, reflection spectra, thermal stability, chemical resistance.
В данной работе излагаются результаты проведенных исследований по разработке состава и изучению свойств керамических пигментов на основе шпинели, предназначенных для декорирования строительных материалов.
Для выполнения поставленных задач нами были использованы как реактивный оксид MgO так и отходы производства: глиноземистый отход Шуртанского газохимического комбината и железосодержащий отход Алмалыкского горно-металлургического завода. Последние в состав шихты вводились вместо реактивного оксида алюминия и железа после корректирующих перерасчетов.
Подробное изучение глиноземистого отхода проводилось в работе [1,2], по результатам которой отработанный катализатор является рентген аморфным веществом, представленным в основном активным аморфным А203. Термическое нагревание отхода при 1000оС приводит к удалению органических солей и кислот, сорбированных в процессе его эксплуатации. Обжиг меняет фазовый состав отработанного катализатора, при этом образуется корунд - а- АЬОз.
Железосодержащий отход Алмалыкского горнометаллургического комбината является отвальным шлаком медного производства, содержание Бе20з в его составе варьирует от 30 до 40%.
Библиографическое описание: Алимджанова Д.И., Шамуратова Ш.М., Косымов У.У. Пигменты на основе шпинели с применением отходов производства // Universum: Химия и биология : электрон. научн. журн. 2018. № 8(50). URL:
http://7universum.com/ru/nature/archive/item/6191
Физико-химической основой синтеза керамических пигментов является принцип изоморфного замещения ионов в веществах, кристаллические решетки которых рассматриваются как акцепторы. Определенный интерес в этом плане представляют большинство минералов группы шпинелей, отличающиеся высокой температурой плавления и способностью образовывать твердые растворы замещения. В основном шпинели обладают гранецентрированной кристаллической решеткой с кубической упаковкой ионов кислорода, хотя могут образовывать также тетрагональные или ромбические решетки [3,4].
Нами были поставлены задачи по разработке железосодержащих керамических пигментов с красно-коричневой окраской на основе шпинели путем частичного и полного замещения ионов алюминия в составе МgAl2O4 ионами железа. В качестве эталонной массы изучалась опытная масса состава шпинели без введения красящего элемента, которая после обжига характеризовалась белым цветом.
Составы железосодержащих
Для получения железосодержащих пигментов были проектированы 6 составов опытных масс с общей формулой (Mg А1 2-х , Ре х О4) с заменой алюминия на железо, где значение х варьировалось от 0,3 до 2,0. Составы опытных масс приведены в таблице 1.
Все сырьевые компоненты высушивались при 1100С до постоянного веса. Исходные компоненты взвешивались на аналитических весах, шихту перемешивали сухим или мокрым способом в дистиллированной воде с последующим переводом массы в сухое порошкообразное состояние. Синтез пигментов осуществляли путём реакции в твердой фазе при температурах 700-11000С +250С. Время выдержки при максимальной температуре обжига составляло 45-60 минут.
В таблице 2 приводятся основные цветовые данные железосодержащих пигментов, обожженных при различных температурах.
Таблица 1.
тентов на основе шпинели
№ состава Формула Содержание компонентов, %
]^0 Fe20з АЬОз
1 мялЪО4 28,16 - 71,83
2 ]^А1иРе 0,3 О4 26,49 15,89 57,40
3 ]^А11,5ре 0,5 О4 25,64 25,64 48,71
4 MgA1l,oFe 1,0 О4 23,39 46,78 29,82
5 ]^АЬ,5Ре 1,5 О4 21,56 64,69 13,74
6 MgFe 2 О4 20,00 80,00 -
Таблица 2.
Цветовые данные железосодержащих пигментов, обожженных при различных температурах обжига
№ Формула Температура обжига 0С
Состава 750 800 1000 1100
1 МgAl2O4 Белый Белый Белый Белый
2 MgA1l,7Feo,зO4 Желто-розовый Желто-розовый Бледно -коричневый Бледно-коричневый
3 MgA1o,5Fel,5O4 Темно-розовый Светло -красный Бледно-красный Светло-коричневый
4 MgFe2O4 Насыщенно- красный Красный Светло-коричневый Коричневый
Полученные данные показывают, что при частичной и полной замене алюминия на железо образуются пигменты розово-коричневых оттенков от жёлто-розового до тёмно-коричневого цветов. Цвет пигмента существенным образом зависит как от состава, так и от температуры обжига сырьевой шихты.
Пигменты, обожженные при невысоких температурах характеризуются больше розово-красными оттенками, причем, при увеличении температуры обжига их цвет меняется от красного на коричневый с некоторым пропаданием яркости оттенка. При температуре 11000С красный оттенок полностью пропадает и цвет пигмента становится светло коричневым или коричневым.
По экспериментальным данным для получения красного пигмента с яркой окраской достаточна невысокая температура обжига (700-7500С), однако, при этих условиях возможно еще не наблюдаются процессы изоморфных замещений элементов в кристаллической решетке шпинели. Из числа изученных составов наиболее насыщенными цветами обладает состав .№4 с полным замещением ионов алюминия на железо. Его принимаем за оптимальный.
В таблице 3 приводятся физико-технические свойства железосодержащего пигмента оптимального свойства.
Таблица 3.
Физико-технические свойства железосодержащего пигмента оптимального состава
№ Керамический пигмент Термическая устойчивость, 0С Плотность, г/см3 Химическая стойкость,%
Цвет 4% р-р СН3 СООН 4% р-р ^2СО3
1 Исходный Белый 1200 2,65 95,5 96,1
2 Железосодержащий Коричневый 1100 2,61 94,7 97,1
Приведенные данные свидетельствуют о том, что путем замены ионов алюминия на железо в структуре шпинели можно получить керамические пигменты с достаточной температурной и химической стойкостью. Пигменты коричневого цвета при этом устойчивы до 11000С, химическая стойкость такого пигмента в отношении уксусной кислоты составляет 94,7% , а щелочеустойчивость равняется 97,1 %.
Для изучения физико-химических процессов, сопровождающих синтез пигментов из опытных
составов шихты с участием производственных отходов нами были использованы методы термографического, рентгенографического и спектрофотометри-ческого исследования.
На рисунке 1. приводятся термограммы исходного состава без введения железа, который соответствует теоретическому составу шпинели ( а) и состава .№6 с полной заменой алюминия на железо (б ).
а б
Рисунок 1. Термограммы сырьевых смесей: а-состава № 1, б-состава № 6
На кривой нагревания исходной шихты (рис.1. а) обнаружены семь эндотермических эффекта при 120,158, 250, 348, 375, 392, 7150С, и семь экзотермических эффектов при 322, 415, 925, 432, 603 и 6500С. Общая потеря массы в диапазоне температур 60-9000С по кривой термогравиметрии составляет 9,57%. Появление эндотермических эффектов можно связать с реакциями выделения остаточной влаги и процессами разложения сырьевых компонентов. Экзотермические эффекты в области 600-6500С, по-видимому, являются следствием фазовых изменений в системе.
На кривой нагревания образца № 6 (рис.1 б) обнаружены десять эндотермических эффектов при 110,122, 152, 194, 219, 352, 363, 395, 403, 4230С и пять экзотермических эффектов при 303, 482, 613, 677 и 7220С. Общая убыль массы в диапазоне температур 80-9000С по кривой термогравиметрии составляет 5,01%. Характер появления эндоэффектов остается прежней, а экзотермические эффекты в области выше 4000С становятся более выразительными. При
этом появляется экзотермический эффект при 7220С. Общая потеря массы снижается от 9,57% до 5,01%. Изменения в дифференциальной кривой шихты свидетельствует об интенсификации физико-химических процессов в системе при замене алюминия на железо. Появление экзотермического эффекта при 7220С извещает о начале фазовых изменений, ведущих к образованию структуры шпинели.
На рис.2 приводится рентгенограмма состава №1 соответствующая теоретическому составу шпинели, обожженная при 13000С. В ней обнаружены деформационные максимумы, относящиеся к MgO (0,234; 0,217; 0,143 нм), а-АЪОэ (0,254; 0,208; 0,1741; 0,1519; 0,1378 нм) и шпинели (0,280; 0,268; 0,240; 0,1882; 0,1693; 0,1626; 0,1585; 0,1496; 0,1415 нм). Наличие рефлексов MgO и а-А120з свидетельствует о незавершенности процесса синтеза шпинели при температуре обжига 13000С.
Рисунок 2. Рентгенограмма состава № 1 (исходный)
На рентгенограмме состава №6 при полной замене алюминия на железо (рис.3.) при температуре обжига 7500С сохранены рефлексы, отражающие исходные компоненты, т. е. гематит Fe2O3 с дифракционными максимумами 0,268; 0,250; 0,219; 0,182; 0,168; 0,160; 0,147; 0,144; 0,131 нм и периклаз MgO
с 0,242; 0,210; 0,149 нм. На рентгенограмме шпинеле-подобной структуры еще нет. Это говорит о том, что при 750 0С ещё не наблюдаются реакции образование шпинелевой фазы, где место ионов A1 в кристаллической решетке занимают ионы Fe.
Рисунок 3. Рентгенограмма состава № 6 (Mg Жв204) после обжига при 750°С (1) и при 1100°С (2)
В продуктах обжига состава №6 при температуре 11000С (рис.3), на рентгенограмме появляются дифракционные максимумы, свойственные железистой шпинели т. е. магнезиоферриту MgFe2O4 с 0,295; 0,251; 0,249; 0,206; 0,167; 0,159; 0,146; 0,1088 нм,
что свидетельствует о протекании процессов ионообменных замещений в решетке шпинели с образованием нового минерала как магнезиоферрит
MgFe2O4. Однако, на рентгенограмме также сохранены рефлексы еще не прореагировавшихся компонентов как MgO и Al2Oз.
Таким образом, по данным рентгенографического анализа, реакции изоморфного замещения железа на алюминий в железосодержащих пигментах, полученных на основе производственных отходов протекают в условиях обжига при температуре
11000С с образованием новой кристаллической фазы как магнезиоферрит со структурой шпинели, при этом цвет пигмента меняется из ярко красного на коричневый цвет.
Для определения цветовых характеристик полученных пигментов нами были сняты спектры отражения синтезированных пигментов.
Рисунок 4. Спектры отражения белого пигмента (состав № 1) и цветного пигмента (состав № 6)
Высокое значение коэффициентов отражения пигмента состава №1 (~50%) свидетельствуют о светлости тона пигмента. Рассчитанные значения цветовых характеристик, приведенные в таблице 4, соответствуют белому цвету. На спектральной кривой пигмента состава №6 с полной заменой алюминия и железо имеется область, соответствующий подъему
Цветовые хара
кривой в районе 700 нм и выше с коэффициентом отражение 20-30%, что соответствует оранжево-красной окраске со средним насыщением тона, значения координатов цветности полученного пигмента приведены в таблице 4.
Таблица 4.
ики пигментов
№ состава Координаты цвета и цветности
x У z X Y Z
1 10,84 11,91 8,56 0,346 0,380 0,273
6 18.01 17.86 19.48 0.486 0.354 0.512
Полученные керамические пигменты с высокой строительных декоративных материалов в промыш-
термической и химической стойкостью с красно-ко- ленных условиях ООО «Азия Мозаик».
ричневой окраской были опробованы на стадии декорирования майоликовых плит при производстве
Список литературы:
1. Абдурахманов А.К., Мкртчян Р.В., Алимджанова Д.И., Мадиев Р.Х., Исматов А.А. О возможности применения отработанного катализатора производства полиэтилена ШГХК в качестве глиноземистой добавки в составе огнеупора // Жур.Кимё ва кимё технологияси. - 2005, № 1. - С. 15-18.
2. Патент на изобретение .Агентство по интеллектуальной собственности Республики Узбекистан. № IAP 05475 Зарегистрирован в реестре изобретений Республики Узбекистан 26.09.2017.
3. Масленникова Г.Н., Пищ И.В. Керамические пигменты. М: РИФ Стройматериалы. 2009.-240 с.
4. Масленникова Г.Н. Пигменты шпинельного типа // М.: Ж.Стекло и керамика №6, 2001 г. с.19-20.
