CC BY
280
Бочевская Елена Геннадьевна,
к.т.н., зав. лаб. редких рассеянных элементов, АО «Институт металлургии и обогащения» Республика Казахстан, 050010, г. Алматы, ул. Шевченко, д.29/133. Эл. почта: elena_bochevskaya@mail.ru
Каршигина Зауре Байтасовна,
АО «Институт металлургии и обогащения»
Республика Казахстан, 050010, г. Алматы, ул. Шевченко, д.29/133 Абишева Зинеш Садыровна,
д.т.н., профессор, НАО «Казахский научно-исследовательский технический университет» им. К.И. Сатпаева
Республика Казахстан, 050013, г. Алма-Ата, ул. Сатпаева, д. 22а Эл. почта: abisheva_z@mail.ru
УДК 669.712
К. Э. Сергеева, Т. В. Кондратенко, Д. В. Майоров
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОСНОВНЫХ СУЛЬФАТОВ И ХЛОРИДОВ АЛЮМИНИЯ
Аннотация
Приведены результаты исследований физико-химических свойств (плотность, вязкость, рН) растворов оксисульфата и оксихлорида алюминия в зависимости от содержания в них Al2O3 и температуры. Получены уравнения, связывающие эти параметры и свойства исследуемых растворов, которые могут быть применены в технологических расчетах.
Ключевые слова:
хлорид алюминия, гидролиз, оксисульфат алюминия, оксихлорид алюминия. K. E. Sergeeva, T. V. Kondratenko, D. V. Maiorov
INVESTIGATION OF PHYSICO-CHEMICAL PROPERTIES OF BASIC SULPHATES AND ALUMINUM CHLORIDE
Abstract
The investigations results of the physico-chemical properties (density, viscosity, pH) of solutions of aluminum oxysulfate and aluminum oxychloride depending on the content of Al2O3 in them and temperature are presented. Equations connecting these parameters and properties of the solutions studied, which can be applied in technological calculations, are obtained.
Keywords:
aluminum chloride, hydrolysis, aluminum oxysulfate, aluminum oxychloride.
Основные сульфаты и хлориды алюминия является эффективными реагентами, применяемые в процессах водоподготовки, в частности для очистки питьевой воды [1]. В качестве наиболее простого и перспективного способа их получения используют растворение гидроксида алюминия (ГА) в соляной или серной кислоте [2]. Однако получаемый известными методами ГА, даже свежеосажденный и мелкодисперсный, и имеющий высокоразвитую поверхность, зачастую обладает недостаточно высокой химической активностью
по отношению к HCl. Поэтому процесс его растворения необходимо вести при повышенных температурах и давлениях в течение длительного времени. При этом получают коагулянт в виде растворов низкой и средней основности. Для повышения основности коагулянта, а также для получения его в твердом виде требуются дополнительные стадии и операции, что в свою очередь существенно усложняет технологический процесс и удорожает получаемый продукт.
Для получения ГА использовали метод щелочного гидролиза солей металлов, находящихся в твердом состоянии кристаллогидрата, разработанный в ИХТРЭМС КНЦ РАН [3, 4]. В качестве соли алюминия был использован Л1С1з-6Н20, а в качестве щелочного реагента - Na2C03, которые тщательно перемешивали в смесителе-миксере. После завершения реакции, о чем свидетельствовало прекращение выделения СО2, полученную реакционную массу выщелачивали, отделяли от раствора и тщательно промывали. Промытый ГА растворяли в расчетном количестве H2S04 и HCl с получением растворов основных сульфата и хлорида алюминия.
Необходимо отметить, что в процессе щелочного гидролиза Л1С13-6Н20 промежуточным продуктом является гидроалюмокарбонат натрия (ГАКН), образующийся по реакции
Л1С1з-6Н20(Т) + 2Na2C03(T) ^ NaAl(0H)2C03 + 3NaC1 + C02t + 5H2O,
который в процессе выщелачивания и промывки осадка гидролизуется с образованием высокоактивного ГА. Однако для полного завершения процесса требуется значительное количество промывной воды, что в условиях производства неэкономично, поэтому получаемый ГА будет содержать незначительное количество ГАКН, который также будет реагировать с H2S04 или HC1 с переходом натрия в получаемые растворы основных сульфатов или хлоридов. Это неизбежно скажется на их физико-химические свойства, такие как плотность и вязкость, которые необходимы для инженерных расчетов при проектировании установок по производству и подбору необходимого оборудования, а также технологам при использовании коагулянтов в повседневной работе.
В связи с этим целью данной работы являлось исследование физико-химических свойств основных сульфатов и хлоридов алюминия, содержащих в своем составе сульфат натрия.
Исходные растворы имели следующий состав, г/л:
- основного сульфата алюминия (A1(OH)0.6(S04)i.2): Л1203 - 100.9;
Na20 - 5.5; S042- 258.1;
- основного хлорида алюминия A1(0H)2.25C10.75): Л1203 - 84.8;
Na20 - 7.1; C1- - 72.1.
Более разбавленные растворы получали смешением исходного раствора и дистиллированной воды.
рН растворов измеряли с помощью автоматического потенциометрического титратора АТП-2.
Плотности растворов определялись пикнометрическим способом.
Вязкость технологических растворов измеряли с помощью вискозиметра ВН-2, работающего по методу Гэпплера и предназначенного для измерения вязкости ньютоновских жидкостей.
Результаты измерений рН растворов различной концентрации приведены на рисунке 1. Для сравнения на рисунке так же приведены рН растворов Л12(804)3 и Л1С13. Как и следовало ожидать, рН основного сульфата и хлорида алюминия близки по значениям и существенно выше рН растворов Л12(804)3 и Л1С13.
Как видно из рисунка, политермы имеют линейный характер, а поэтому их ход может быть описан уравнением вида:
рН = а + Ь-С, где С - концентрация Л1203, г/л, которые имеют вид для:
- основного сульфата алюминия - рН = 3.57 - 0.00762-С;
- сульфата алюминия - рН = 2.10 - 0.01460-С
- основного хлорида алюминия - рН = 3.80 - 0.01114-С
- хлорида алюминия - рН = 3.03 - 0.02608-С
4 4
3 -
щ „
ср 2 —
1 -
1 - основной сульфат алюминия
(Л1(ОН)0.8^О4)1.0;
2 - сульфат алюминия;
3 - основной хлорид алюминия
(Л1(0Н)2.25С10.75);
4 - хлорид алюминия
I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Содержание А12О3, г/л
Рисунок 1 - Зависимость рН растворов от содержания в них Л1203
На рисунках 2 и 3 представлены температурные зависимости плотностей растворов основных сульфата и хлорида алюминия различных концентраций.
1300 4 5
и «
Л
ё о к н о ч
с
1250 -
1200 -
1150 -
1100 -
Т
т
20 30
I 1 I 1 Г"
40 50 60 Температура, оС
70
Концентрация Л1203, г/л: 1 - 32.9; 2 - 49.1; 3 - 67.1; 4 - 80.8; 5 - 100.9
80
Рисунок 2 - Зависимость плотности раствора оксисульфата алюминия от температуры и концентрации раствора
1
4
0
Как видно из рисунков, политермы так же имеют линейный характер, а поэтому их ход, как и в случае с рН, может быть описан уравнением вида:
pt = а + Ь*, кг/м3
(1)
где: а - плотность раствора при 0оС (кг/м3); Ь - температурный коэффициент плотности (кг/(м3-град)); 1 - температура, оС.
Уравнения политерм 1 - 5 (рисунок 1) имеют вид:
0.371-1; (2)
0.414-1; (3)
0.480*; (4)
0.508-1. (5)
0.543-1. (6)
В свою очередь, коэффициенты а и Ь в уравнениях 2-6 линейно зависят от концентрации раствора:
а = 1038.8 + 2.709-С;
(8) (9)
Ь = 0.2907 + 0.002607-С, где С - концентрация раствора по А1203 (г/л).
Таким образом, уравнение, описывающее температурно-концентрационную зависимость плотности растворов оксисульфата алюминия в интервале температур 20-80оС при содержании А1203 32.9-100.9 г/л, принимает вид:
р = 1038.8 + 2.709-С - (0.2907 + 0.002607-С)-1.
(10)
1200 Ч
1150 -
в 1100 -
8
о
ч
Е 1050 Ч
1000 Ч
Концентрация А1203, г/л: 1 - 25.1; 2 - 32.0; 3 - 44.3; 4 - 62.6; 5 - 84.8
1 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 г
20 30 40 50 60 70 80 Температура, оС
Рисунок 3 - Зависимость плотности раствора оксихлорида алюминия от температуры и концентрации раствора
Математическую обработку данных плотности раствора оксихлорида алюминия проводили аналогичным образом. Полученное уравнение, описывающее температурно-концентрационную зависимость плотности растворов оксихлорида алюминия в интервале температур 20-80оС при содержании А1203 25.1-84.8 г/л, имеет вид:
р = 1001.9 + 1.751 -С - (0.2599 + 0.001080-С)-1. (11)
Средняя квадратичная ошибка (выборочное стандартное отклонение) значений экспериментальных и расчетных величин плотности в обоих случаях составляет ~0,24%, средняя квадратичная ошибка среднего арифметического - 0,07%.
На рисунках 4 и 5 представлены температурные зависимости вязкости растворов основных сульфата и хлорида алюминия различных концентраций.
Как видно из рисунков, политермы имеют ярко выраженный нелинейный характер, и поэтому их ход будет описываться весьма сложным уравнением, которое неудобно для практического применения. Для спрямления кривых температурная зависимость вязкости от температуры (1) была преобразована в координатах 1п^ - 1, после чего их ход вполне адекватно описывается линейным уравнением:
^ = а' + Ь'-1,
(12)
10
8 -
й С
05
т
2 -
0
Концентрация А1203, г/л: 1 - 32.9; 2 - 49.1; 3 -4 - 80.8; 5 - 100.9
67.1;
~г
20
—Г"
30
т
т
70
80
40 50 60 Температура, оС
Рисунок 4 - Зависимость вязкости раствора оксисульфата алюминия от температуры и концентрации раствора
5 4
4 -
й 3
С 3
05
т
1 -
0
Концентрация А1203, г/л: 1 - 25.1; 2 - 32.0; 3 - 44.3; 4 - 62.6; 5 - 84.8
20
Т
т
70
80
П-1-1-1-1-1-г~
30 40 50 60 Температура, оС
Рисунок 5 - Зависимость вязкости раствора оксихлорида алюминия от температуры и концентрации раствора
5
6
3
4
4
2
Математическую обработку данных вязкости растворов оксисульфата и оксихлорида алюминия проводили аналогично, как и в случае с данными по плотности, образом.
Следует отметить, что при обработке экспериментальных данных было установлено, что температурный коэффициент b' в уравнении (12) не зависит о концентрации растворов и составляет 0,01995±4% для раствора оксисульфата алюминия и 0.01519±6% для раствора оксихлорида алюминия.
Полученные уравнения, описывающие температурно-концентрационные зависимости вязкости растворов имеют вид:
- для раствора оксисульфата алюминия в интервале температур 20-80оС при содержании AI2O3 32.1-100.9 г/л: ц = e(026 + 0 0232C - 0 01995 t), мПа-с;
- для раствора оксихлорида алюминия в интервале температур 20-80оС при содержании Al2O3 25.1-84.8 г/л: ц = e(0 026C - 03117 - 001519t), мПа-с.
Средняя квадратичная ошибка (выборочное стандартное отклонение) значений экспериментальных и расчетных величин вязкости в обоих случаях составляет ~5%, средняя квадратичная ошибка среднего арифметического - 2%.
Таким образом, в результате проведенной работы изучены физико-химические свойства (плотность, вязкость, рН) растворов оксисульфата и оксихлорида алюминия от содержания в них Al2O3 и температуры. Получены уравнения, связывающие эти параметры и свойства исследуемых растворов, которые могут быть применены в технологических расчетах.
Литература
1. Гетманцев С.В. Состояние производства и импорта алюмосодержащих коагулянтов в России. // Водоснабжение и сан. техника. 2003. № 2. С. 5-10.
2. Запольский А.К., Баран А.А. Коагулянты и флокулянты в процессах очистки воды. Свойства. Получение. Применение. - Л.: Химия, 1987. - 205 с.
3. Пат. 2375306 РФ, МПК CT1F 7/02, С0Ю 23/04, 25/02 (2006.01). Способ получения гидрата оксида металла/ Матвеев В.А., Захаров В.И., Калинников В.Т. и др.; Ин-т химии и технологии редких элементов и минер. сырья Кол. науч. центра РАН. - №2008112851/15; заявл. 02.04.08; опубл. 10.12.2009, Бюл. № 34.
4. Шуляк Д.В., Матвеев В.А., Майоров Д.В.. Получение активного гидроксида алюминия для синтеза высокоосновных оксихлоридов алюминия. Химическая технология. 2015. № 11. С. 640-644.
Сведения об авторах Сергеева Кристина Эдуардовна,
студентка 4 курса очной формы обучения, Апатитский филиал
Мурманского государственного технического университета, Апатиты; моб.т. 8(921)-165-66-13 E-mail: mariansergeeva@yandex.ru
Кондратенко Татьяна Владимировна,
инженер, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева Кольского научного центра Российской академии наук, г. Апатиты; р.т. 8(81555)79569. E-mail: kondr_tv@chemy.kolasc.net.ru
Майоров Дмитрий Владимирович,
канд. техн. наук, ст. научн. сотр., Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева Кольского научного центра Российской академии наук, 184209, г. Апатиты; р.т. 8(81555)79389. E-mail: mayorov@chemy.kolasc.net.ru
УДК 666.3/7
О. А. Сергиевич, И. А. Алексеенко, Е. А. Артемьев
КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ С ПОВЫШЕННОЙ ИЗНОСОСТОЙКОСТЬЮ ДЛЯ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОЙ И ЛЕГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Аннотация
На основании обзора литературных данных в области синтеза анортитовых износостойких и самоглазурующихся материалов выбрана область опытных составов и представлена характеристика исходных сырьевых компонентов. Определены физико-химические показатели материалов, установлена взаимосвязь между показателями свойств, температурой обжига и количеством добавки. Изучены фазовый состав, структура синтезированных материалов, установлены технологические параметры получения износостойких самоглазурующихся материалов оптимального состава.
Ключевые слова:
анортитовая керамика, самоглазурование, износостойкость, шероховатость, коэффициент трения.
O. A. Sergievich, I. A. Alekseenko, E. A. Artemiev
CERAMIC MATERIALS WITH INCREASED WEAR-RESISTANCE FOR MACHINE-BUILDINGAND LIGHT INDUSTRY
Abstract
Based on the review of literature data in the field of synthesis of anorthite wear-resistant and self-glazing materials, the range of experimental compositions is selected and the characteristics of the raw feed components are presented. The physicochemical parameters of the materials are determined, and the relationship between the properties, firing temperature and the amount of the additive is established. The phase compositionand structure of synthesized materials, technological parameters of obtaining wear-resistant self-glazing materials of optimum composition are studied.
Keywords:
anorthite ceramics, self-glazing, wear resistance, roughness, coefficient of friction. Введение
Ужесточение требований к структуре и свойствам поверхностных слоев стимулировало развитие новых методов их модификации различными видами технологической обработки. Развитие науки о трении и изнашивании твердых тел показало, что в контакте трущихся тел наблюдается их адаптация за счет протекания гаммы физико-химических процессов, при этом создаются специфические поверхностные структуры, реализующие низкий и стабильный коэффициент трения
