CC BY
19УДК 666
В.И. Страхов1, С.А. Суворов2, Е.А. Власов3
ИССЛЕДОВАНИЯ В ОБЛАСТИ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ
Деятельность кафедр факультета химической технологии неорганических веществ и материалов направлена на подготовку высококвалифицированных специалистов по технологии неорганических веществ и тугоплавких неметаллических и силикатных материалов. В настоящее время кафедры активно перешли к многоуровневой подготовке выпускников. Именно здесь впервые в институте ежегодно 15-20% молодых людей защищают свои диссертации на соискание степени магистра техники и технологии. Уровень этих диссертаций очень высокий и нередко соответствует требованиям к кандидатским диссертациям. Обучение студентов на кафедрах факультета базируется на активном их участии в научно-исследовательской работе, которая развивается в рамках двух основных научных направлений:
- Разработка физико-химических и технологических основ производства материалов и изделий на основе оксидов и тугоплавких бескислородных соединений с повышенными эксплуатационными характеристиками.
- Интенсификация химических процессов и аппаратов в производстве неорганических веществ.
В рамках первого научного направления получены новые материалы для создания на их основе оптических волоконных усилителей, лазеров с лучшими характеристиками и твердотельных насыщающихся поглотителей для инфракрасных лазеров. Предлагаемые материалы обеспечивают простоту эксплуатации в оптических схемах по сравнению с существующими аналогами. Прозрачная стеклокерамика, содержащая фто-ридные нанокристаллы, активированные редкоземельными ионами, и полупроводниковые нанокристаллы получены в некоторых оксифторидных стеклообразных системах в процессе вторичной термической обработки исходного материала. Интерес к этим системам связан с тем, что редкоземельные активаторы в процессе термообработки переходят в кристаллическую фазу нанометровых размеров. В том случае, если на-нокристалл в качестве катиона содержит атом тяжелого элемента (Сс^, PbF2), то конечный материал имеет оптические характеристики такого класса кристаллов. Установлено, что одним из главных преимуществ стеклокерамических материалов является возможность получения оптических волокон по стандартной методике вытяжки, широко применяемой для многокомпонентных оксидных стекол [1].
До настоящего времени используется несколько типов твердотельных насыщающихся поглотителей для инфракрасных лазеров диапазона 1,3-1,5 мкм - кристаллы с центрами окраски, кристаллы и стекла, допированные редкоземельными элементами или переходными металлами, одно- или многослойные эпитаксиальные полупроводниковые насыщающиеся поглотители. Все активные модуляторы представляют собой
В представленной статье рассмотрена деятельность факультета химической технологии неорганических веществ и материалов в составе следующих кафедр: кафедра технологии стекла и общей технологии силикатов, кафедра химической технологии высокотемпературных материалов, кафедра химической технологии тонкой технической керамики, кафедра химической технологии строительных и специальных вяжущих веществ, кафедра технологии неорганических веществ, кафедра технологии катализаторов. Факультет проводит подготовку высококвалифицированных специалистов по технологии неорганических веществ и тугоплавких неметаллических и силикатных материалов. Обучение студентов на кафедрах факультета базируется на активном их участии в научно-исследовательской работе. На факультете успешно осуществляются исследования по приоритетным направлениям развития современной науки. Преподаватели, сотрудники, аспиранты и студенты факультета принимают активное участие в федеральных целевых программах. В статье представлены научные интересы и достижения кафедр в области создания новых технологических схем и материалов с высокими эксплуатационными и экономическими характеристиками.
уже достаточно сложные устройства, к тому же, не лишены недостатков. Стекло, содержащее полупроводниковые квантовые точки, является материалом, привлекательным для пассивной модуляции добротности и синхронизации мод, поскольку положение системы, пиков поглощения определяется размером квантовой точки, что дает возможность «подстройки» спектральной области оптической нелинейности, наблюдающейся в области первого экситонного пика поглощения. Стекла с квантовыми точками уже применяют для получения коротких импульсов лазеров, работающих в спектральных областях 0,7-0,9, 1,06-1,08 и 1,2-1,3 мкм. Однако, в более длинноволновом диапазоне стекла с квантовыми точками не используются, что связано со сложностью получения прозрачных материалов с квантовыми точками необходимого размера, с узким распределением по размеру и малым количеством дефектов, необходимых для низкого остаточного поглощения модуляторов добротности и синхронизаторов мод лазеров. Это, в свою очередь, связано как с недостаточностью экспериментальных данных по выращиванию в стеклах соответствующих квантовых точек и по их характеристикам, так и с отсутствием необходимых моделей. Работы профессора Е.В. Колобковой показали, что применение в качестве матрицы оксифторидных стекол позволяет решить указанные проблемы. К настоящему времени на факультете получены экспериментальные образцы нанокристаллических материалов с высокими нелинейно-оптическими характеристиками. Эти материалы позволяют расширить спектральный диапазон и являются единственными на сегодняшний день для поглотителей в диапазоне выше 1,5 мкм.
Большое внимание в работах кафедр уделяется разработке теоретических и технологических приемов формирования структуры керамических и специальных материалов нового поколения с требуемым уровнем свойств. Актуальность выбранного направления исследований фазовых соотношений в системах тугоплавких оксидов определяется тем, что они являются фундаментальными для создания физико-химических основ получения материалов для эксплуатации в условиях воздействия высоких температур, колебаний температуры, расплавленных материалов и шлаков, больших нагрузок. Исследования направлены на создание физико-химических основ технологии получения оксидных материалов, устойчивых к электролизу, способных обеспечить получение высоких (20 000С и выше) температур в окислительной среде. Весьма детально определена сущность и степень взаимодействия между компонентами и фазами систем на основе ZrO2, Nb2O5, Та205, СГ2О3, ТЮ2, СаО, MgO, оксидов лантаноидов, силикатов. Результаты этих исследований позволяют объективно прогнозировать возможность получения новых материалов раз-
1 Страхов Вячеслав Иванович, проф., д.т.н., зав. каф. технологии стекла и общей технологии силикатов, тел. (812) 494-93-89
2 Суворов Станислав Алексеевич, проф., д.т.н., зав. каф. химической технологии высокотемпературных соединений, тел. (812) 315-14-35
3 Власов Евгений Александрович, проф., д.т.н., зав. каф. технологии катализаторов, тел. (812) 316-55-12 Дата поступления 26 мая 2008 г.
44 .д
личного назначения. Особое внимание обращается на выяснение взаимосвязи фазового состава, микроструктуры и свойств создаваемых материалов и изделий, что имеет целью научно обоснованно конкретизировать технологические параметры их изготовления [2,3].
На факультете в течение длительного периода проводятся фундаментальные работы, посвященные изучению фазовых преобразований в оксидных системах и системах бескислородных соединений. Так, в результате этих экспериментальных исследований разработаны технологические параметры изготовления изделий из ZrO2 для эксплуатации в металлургии, стекольной промышленности, в качестве высокотемпературной изоляции установок выращивания монокристаллов алюмоиттриевого граната - основы твердотельных лазеров и т.д. [4].
В последние годы возросла потребность в новых керамических материалах с высокими эксплуатационными свойствами, например, в сегнето-пьезокерамических материалах для электроники, медицинской техники, атомной энергетики и космической техники. Необходимы материалы, устойчивые к электрическим и механическим воздействиям, материалы с высокой, средней и низкой диэлектрической проницаемостью, малыми диэлектрическими потерями, пироэлектрические материалы, диэлектрики с электронной и ионной проводимостью, материалы для нелинейных полупроводниковых резисторов, а также изоляционная керамика и сверхпроводники. Уделяется внимание разработке нового класса материалов для термоустойчивых высокоэффективных многослойных конденсаторов. Для этой цели используются различные составы релаксорных сегнетоэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью. В основном это ниобаты, титанаты и цир-конаты свинца и лантана. Топливные элементы - многообещающий класс материалов для удовлетворения потребности в электроэнергии в 21 веке эффективным способом, не наносящим ущерба окружающей среде. Использование топливных элементов с твердым оксидным электролитом в настоящее время является новым перспективным направлением для получения энергии. В связи с этим в области твердых электролитов на факультете осуществляется поиск новых оксидных материалов с заданными показателями электрофизических свойств. Подходящими материалами являются ионные проводники (на основе оксидов переходных металлов) со структурой перовскита. Работы сотрудников факультета показали, что именно ряд сложных оксидов перовскитовой структуры (ниобаты, титанаты, танталаты) проявляют функциональную активность, т.е. изменяют свои свойства под влиянием внешних воздействий, выполняя при этом заданную функцию [2].
Основные исследования в области сегнетоэлектрических материалов ведутся в направлении снижения диэлектрических потерь, повышения нелинейности, электрической прочности, стабильности параметров во времени при изменении температуры окружающей среды в широких пределах. Активно ведется поиск новых составов нелинейных сегнетоэлектриков для создания реактивных безинерционных элементов, легко управляемых слабыми токами и обладающих большой удельной емкостью.
С этой целью проводятся детальные исследования сложных ниобатных, танталатных и титанатных тройных систем с участием оксидов РЗЭ и изучение физико-химических свойств образующихся фаз, которые позволяют решать многие вопросы неорганического материаловедения.
Систематический целенаправленный поиск новых сложных многокомпонентных фаз в оксидных системах, выявление кри-сталлохимических закономерностей их образования и установление корреляции со свойствами, а также создание на их основе новых материалов с улучшенными техническими характеристиками определяют актуальность выполняемых исследований.
Полученные экспериментальные данные о характере фазовых равновесий в многочисленных бинарных и тройных системах, а также кристаллохимические и физико-химические свойства фаз представляют собой обширный материал, который может быть использован для создания керамических, огнеупорных и силикатных материалов нового поколения.
Уровень полученных результатов исследований сопоставим с мировым, а по ряду позиций, например, по глубине изучения фазовых равновесий в указанных тройных системах и анализу полученных закономерностей значительно опережает результаты зарубежных работ в данной области.
Усилиями профессора И.Б. Пантелеева создана большая группа функциональных керамических материалов с регулируемой структурой на основе бескислородных соединений (карбидов, боридов), обеспечивающей высокую устойчивость к окислению, успешную эксплуатацию в экстремальных условиях.
Большой вклад в разработку нового поколения оксидных электропроводящих материалов, применение которых весьма эффективно для изготовления электронагревателей, внес докторант, доцент А.П. Шевчик, разработавший принципиально новый подход к формированию структуры изделий на основе хромитов редкоземельных элементов, обеспечивающий им низкую скорость термического старения.
Профессором С.А. Суворовым создано и развивается научное направление образование и трансформация автономных и сопряженных поверхностных фаз в физико-химическом проектировании и управлении свойствами высокотемпературных неметаллических материалов, в рамках которого создан научный потенциал для решения теоретических и прикладных проблем синтеза и технологии огнеупорных материалов и изделий, обладающих исключительно высокими показателями прочности, термостойкости, химической устойчивости и других свойств, предназначенных для реализации интенсивных тепловых, энергетических, химических, металлургических и др. процессов.
Теоретически и экспериментально исследовано эволюционирование конденсированных фаз в большом числе высокотемпературных систем, в том числе основополагающей для огнеупоров системе MgO-CaO-Al2Oз-Cr2Oз-Fe2Oз-SiO2-TiO2-ZrO2 . Рассмотрены термодинамическая обусловленность активированного спекания и кинетика консолидации дисперсного вещества в компактный материал. Разрабатываемые подходы к анализу фазового состояния границ зерен поликристаллических материалов, позволяющие описать кинетику химических реакций в межзеренном пространстве в ходе синтеза высокотемпературных материалов, были развиты и обобщены на основе принципов физической химии низкоразмерного состояния вещества, в частности, дано определение области критических размеров вещества.
Сформулированные в рамках развиваемого научного направления теоретические обобщения использованы для физико-химического проектирования огнеупорных материалов нового поколения системы MgO-Al2Oз-MgAl2O4-SiC-Si-Al-C-B. Приоритетно разработаны теоретические принципы технологии огнеупоров, отличающихся комплексом выдающихся свойств, для работы в экстремальных условиях интенсивного воздействия температуры, ее больших градиентов, потоков газа, расплавов металла.
Под руководством профессора С.С. Орданьяна успешно развивается такое направление как создание физико-химического базиса и разработка технологии керамических композиционных материалов на основе предложенной классификации систем с участием тугоплавких веществ, изучены закономерности взаимодействия между различными классами соединений. Для большинства систем описывающие их диаграммы состояния являются эвтектическими, что важно для оптимизации технологии спекания в создаваемых композиционных керамик различного назначения. Установлены для большого числа систем закономерности изменения состава и температуры плавления эвтектик в зависимости от термодинамических характеристик компонентов, их электронного строения. Проведены обширные материаловедческие исследования по изучению свойств так называемых «моделей эвтектик» гетерофазных систем материалов, в которых использованы исходные ультрадисперсные компоненты. Выявление закономерности изменения структуры и связанных с ней свойств послужили основанием для рекомендации создания перспективных композиционных керамик с ультрадисперсной структурой гетерофазных эвтектических систем. Это связано с экранирующей ролью вводимых сосуществующих фаз, удлинением диффузионного пути по поверхности частиц фазы иной природы, что позволяет реализовать «свободное» спекание ансамблей наноразмерных частиц фаз различной химической природы и планировать разработку большой группы керамики для машиностроения с высокими механическими свойствами (стизг 1000 МПа), большим сопротивлением износу, ударам, нагрузкам и коррозии [5].
Должное внимание на факультете уделяется изучению физико-химических систем на основе водорастворимых си-
ликатов и нанодисперсного кремнезема и синтезу материалов на их основе.
Водные дисперсии силикатов и нанодисперсного кремнезема составляют основу для синтеза серии технических продуктов различного назначения: буровых растворов, высокотемпературных и кислотоупорных материалов, огнезащитных и антикоррозионных материалов, формовочных и строительных материалов со специальными свойствами. Такие продукты предназначены для многих отраслей промышленности: строительства, добычи полезных ископаемых, машиностроения и т.д. [6]
За рубежом производится значительная номенклатура материалов такого типа, однако, в России, несмотря на наличие исходного сырья, перечень материалов на основе нанодисперсного кремнезема и силикатов минимален как по объему производства, так и по номенклатуре. Создавшаяся ситуация в большой степени определяется ограниченностью научных исследований, проводимых в этой области. В работах профессора А.С. Брыкова выполнены обширные исследования в области водорастворимых силикатов и нанодисперсного кремнезема, как теоретической основы синтеза серии новых материалов.
На факультете в последние годы сформирована ведущая научная школа «Создание физико-химических и технологических основ тугоплавких неметаллических и композиционных материалов и изделий нового поколения» (руководитель - декан В.И. Страхов), участники которой активно подключились к выполнению исследований в рамках ФЦП «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006гг.» по теме: «Создание рабочих мест и исследования по фундаментальным неорганическим материалам»; в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008гг.)» по проектам: «Фазовые преобразования в системах тугоплавких оксидов и бескислородных соединений», «Интенсификация процессов получения водорода из углеводородного сырья на твердых оксидных матрицах, содержащих стабилизированные каталитически активные наноразмерные структуры, для энергетических установок малой единичной мощности»; «Разработка и подготовка к малосерийному выпуску бифункционального каталитического, с повышенным ресурсом при сниженном содержании драгоценных металлов, блочного нейтрализатора выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания», в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 гг.» по теме: «Создание физико-химических и технологических основ стеклокри-сталлических и керамических материалов нового поколения».
На факультете успешно осуществляет свою деятельность лаборатория радиоэлектронных и светотехнических материалов (руководитель - профессор О.М. Меркушев).
Усилиями сотрудников лаборатории решается актуальная проблема создания индикаторов качества пищевых продуктов и фармацевтических препаратов в процессе их товарооборота и при положительном ее решении существенно упрощает контроль срока их реализации, тем самым, способствуя сохранению здоровья потребителя и предотвращению различного рода заболеваний и эпидемий.
В основу механизма работы индикаторов положены процессы распада метастабильных окрашенных соединений хромогенных материалов, которые вызывают их обесцвечивание. Время обесцвечивания метастабильных хромо-генных материалов является параметром, по которому можно следить за качеством продукции. Как показали исследования, время распада или обесцвечивания метастабильных хромогенных соединений зависит от их структуры и состава, условий окружающей среды.
В результате анализа проведенных исследований созданы цветные, например, синие этикетки и упаковочные материалы на гибкой полимерной основе, обесцвечивающиеся в течение 5-30 дней.
Изучение влияния температуры окружающей среды позволило установить, что в диапазоне температур 5-25 0С время обесцвечивания для синих индикаторов достигает указанных выше величин. При температуре выше 35 0С время обесцвечивания сокращается в полтора-два раза. В области низких температур, ниже 0 0С, плотность окраски сохраняется до четырех месяцев и более.
Предлагаемые индикаторы слежения качества пищевых продуктов и фармацевтических препаратов, в течение их товарооборота, могут найти широкое применение в различных отраслях промышленности: химической, электронной, электротехнической, металлургической и др. как таймеры различного рода технологических процессов при создании полуфабрикатов, в сельском хозяйстве при подготовке посевного сезона, в области учета и хранения готовой продукции и т.д.
В настоящее время существует несколько методов получения электрохромных материалов и пленок на их основе, они разделяются на вакуумные, электрохимические и коллоидные (золь-гель). Лабораторией разработаны научные принципы золь-гель метода синтеза электрохромных нано-материалов. В ассортимент наноматериалов входят оксиды вольфрама, ванадия, молибдена, титана, никеля, в том числе и ряд других соединений, например, оксиды редкоземельных элементов. В результате проведенных исследований сотрудниками лаборатории разработаны технологии нанесения оптически активных и оптически пассивных пленок на стекла и полимерные подложки. Проведена сборка экспериментальных электрохромных окон и прошли их успешные испытания. Плотность светопропускания окна на волне 590 нм меняется в пределах от 5 до 80%. Ориентировочные расчеты показывают, что объем тепловых потерь зданий может сократиться на 40% в год.
В рамках второго научного направления в настоящее время осуществляется международное сотрудничество, финансируемое Европейской Экономической Комиссией, в области проведения комплекса работ по очистке удобрений и солевых продуктов различного назначения от примесей тяжелых металлов и созданию новых экономически безопасных видов удобрений с эксклюзивными свойствами (руководитель работ - профессор Б.А. Дмитревский).
На базе имеющихся теоретических разработок и практических результатов создано много новых, в том числе износоустойчивых, капсулированных, со «стабилизированной» поверхностью, с регулируемым распределением активных компонентов по глубине гранулы, катализаторов (окисления SO2 в кипящем слое, гетерогенной полимеризации тетрагидро-фурана, синтеза метанола, очистки газов от непредельных углеводородов, HCl, СО, SO2, NO и NO2). Разработана технология пластинчатых и блочных катализаторов сотовой структуры с суспензионным нанесением активных компонентов для очистки отходящих газов двигателей внутреннего сгорания, конверсии метана и жидких углеводородов с целью получения водорода, восстановления оксидов азота аммиаком. В последние годы при синтезе катализаторов используются нетрадиционные виды сырья, а именно: различные промышленные отходы (гальваношламы, отходы электротермического производства кремния, Rb- и Cs-содержащие отходы, мелкодисперсная пыль глинозема и другие).
Взаимодействие газов и жидкостей лежит в основе многих технологических операций химических производств. Значительная часть этих процессов может проводиться и уже проводится в интенсивно работающих пенных аппаратах. Теоретические основы принципиально нового режима обработки газов и жидкостей изучаются в течение многих лет на кафедре технологии катализаторов и особенно успешно развиваются и находят широкое применение при разработке новой, более эффективной аппаратуры. Особенно продуктивно использование пенных пылеуловителей, применение которых для очистки вентиляционного воздуха и охлаждения газов теоретически и экспериментально полностью разработано. Большой экономический эффект дало внедрение интенсифицированных пенных аппаратов для очистки газов алюминиевого производства, причем их применение принято в качестве основного направления развития технологии очистки газов. Аппараты со стабилизатором пенного слоя рекомендованы в качестве типового пылеулавливающего оборудования при очистке газов в количестве до 100 000 м3/ч.
В последние годы под руководством профессора Е.А. Власова решены многие общие и частные задачи катализа: разработка технологии и исследование свойств никелевых и платиновых катализаторов, нанесенных на металлические и силикатные носители; изучение свойств сложных оксидных смесей типа рамсделита и голландита, как перспективных мате-
46 .В
риалов для электродов топливных элементов; исследование каталитических свойств диоксида циркония, приготовленного по нанотехнологии, и новых силикатных носителей для сорбции радиоактивных нуклеидов и другие.
На кафедре технологии стекла и общей технологии силикатов (составные части кафедры основаны в 1931 г. академиком Д.С. Белянкиным и чл.-корр. АН СССР Н.Н. Качаловым) в последние годы решается фундаментальная научная проблема - получение ансамблей полупроводниковых квантовых точек и диэлектрических нанокристаллов с заданными свойствами в процессах фазового распада и самоорганизации гетерогенных систем. В частности, изучены процессы формирования в стеклах ансамблей квантовых точек полупроводников IV-VI и IV-VI с заданными нелинейно-оптическими свойствами для их использования в качестве элементов лазеров ближнего и среднего инфракрасного диапазона; исследованы процессы формирования в стеклах нанокристаллов PbF2, активированных Eu3+, Er3+; созданы параметры простых, дешевых и универсальных (на основе одного материала) пассивных модуляторов добротности и синхронизаторов мод лазеров, работающих в диапазонах 1,5 и 2-3 микрона и получены первые экспериментальные результаты.
Создание новых оптических материалов с особыми свойствами перспективно для получения оптических усилителей, апконверсных волокон и твердотельных лазеров для использования в телекоммуникационных системах. Показано, что оптимальны материалы, для которых характерен низкочастотный спектр и низкое содержание групп ОН-, т.к. это позволяет уменьшить потери возбуждения за счет процесса мультифонового тушения. Долгое время считалось, что только фторсодержащие материалы (фторидные стекла и кристаллы) оптимальны для решения указанной проблемы. Однако, со времени синтеза в 1993 г. нового вида стеклокристаллических материалов - ок-сифторидных силикатных стекол, активированных редкоземельными элементами, открылись новые перспективы. Оказалось возможным создание оксифторидной керамики. Поиск новых стеклокристаллических композиций стал приоритетным направлением. Подобные композиционные материалы сочетают в себе оптические параметры низкофононных фто-ридных кристаллов и высокие механические и химические характеристики силикатных стекол. Было обнаружено, что для некоторых оксифторидных стеклообразных материалов характерно в процессе термической обработки исходного стекла формировать фторидные нанокристаллы, активированные редкоземельными ионами (РЗИ). Полученные материалы сочетают все лучшие свойства фторидных нанокристаллов, управляющих оптическими свойствами РЗИ, простоту получения и прекрасные макроскопические (химическая устойчивость, механическая прочность и оптическое качество) свойства оксидных стекол.
Детально исследованы системы Li2O(Na2O)-Lri2O3-Nb2O5, MgO(CaO)-Lri2O3-Ta2O5, а такжеСа0^20з-ТЮ2, где Ln -РЗЭ. Бинарные соединения систем проявляют ценные технические свойства, обусловленные кристаллизацией их в важнейших структурных типах - перовскита, слоистого перовскита, ильменита, флюорита, пирохлора и т.д. В работах доцента А.П. Пивоваровой с сотрудниками убедительно продемонстрировано, что в результате осуществления широких изоморфных замещений в тройных системах можно получить индивидуальные фазы или фазы переменного состава. Все это дает возможность существенно расширить ассортимент и области применения таких материалов [2].
Обобщение экспериментальных исследований по фазо-образованию в указанных системах позволило выявить закономерности образования сложных фаз в зависимости от природы оксидов элементов I-V групп, включая РЗЭ, с целью проведения направленного синтеза новых материалов с требуемыми техническими свойствами. Накоплены обширные экспериментальные данные о характере фазовых равновесий в бинарных и тройных системах, а также кристаллохимические и физико-химические свойства фаз представляют собой ценный информационный материал, который, безусловно, будет использован для создания керамических материалов нового поколения.
Исключительно большое значение имеют работы кафедры химической технологии высокотемпературным материалов
(кафедра основана в 1947 г. профессором Я.В. Ключаровым)
по созданию и освоению в промышленных масштабах кар-бонированных огнеупорных масс и изделий для футеровки металлургических ковшей, сталеплавильных конверторов и электропечей, изделий из плавленого периклаза, эластичных огнеупорных материалов (ЭЛОМ), применяемых в узлах сопряжения устройств непрерывной разливки конвертерной стали в специальной металлургии, термостойких огнеупоров с использованием титаната алюминия для изготовления экранов котлов-утилизаторов и систем транспорта катализаторов в нефтехимии, тепловых экранов для выращивания монокристаллов, работоспособных до 2000-2300 0С, теплоизоляционных изделий с использованием вермикулита для кладки тепловых агрегатов, жаростойких электроизоляционных слю-допластовых материалов. Большинство разработанных технологий и материалов по своим параметрам существенно превосходит мировой уровень и принадлежит к числу оригинальных [7].
Кафедрой внесен существенный вклад в развитие технологии конструкционных материалов специального назначения, в частности, в создание тугоплавких радиопрозрачных и сверхлегких теплоизоляционных материалов, предназначенных для использования в ракетно-космической и глубоководной технике. Большой интерес был проявлен к разработанным изделиям с высокой вязкостью разрушения для защиты бронетехники, накопителям электромагнитной энергии для разгонных блоков ракет. В последние годы созданы нанофраг-ментированные высокотемпературные композиционные материалы на основе А12О3 и ZrO2, обладающие пределом прочности при изгибе 1000^1100 МПа, К1с>15 МПа ■ м1/2, модулем Вейбулла свыше 16, сиалоновые материалы с теплоемкостью до 100 Вт/(мК) и др.
В целях дальнейшего развития связей с промышленностью, повышения качества профессиональной подготовки специалистов, проведения аттестационных и арбитражных испытаний огнеупоров, развития интеграционных процессов с промышленными предприятиями и организациями при кафедре создается Учебно-научный центр «Высокотемпературные материалы, техника, технологии». В структуру УНЦ входят «Испытательный центр высокотемпературных материалов» с пятью лабораториями для определения функциональных свойств изделий, Центр дистанционного обучения (ЦДО) «Методы физико-химического проектирования состава и свойств огнеупоров». Программное и методическое обеспечение образовательного центра базируется на оригинальной авторской кросс-платформенной клиентсервисной программной среде, предназначенной для решения задач системного анализа. Стандартные и прикладные классы позволяют создавать математические модели систем разных уровней сложности. В рамках ЦДО предусматривается реализация инновационной учебной программы по новой специализации «Испытания и сертификация огнеупорных материалов и изделий».
Кафедра химической технологии тонкой технической керамики в 2008 г. отмечает 110-ю годовщину своей деятельности (основана профессором А.М. Соколовым в 1898 г.). В 50-60-е годы ХХ века наряду с подготовкой технологов в области классических видов керамики на кафедре последовательно начинается подготовка технологов в области керамики для электроники (функциональная керамика с особыми диэлектрическими свойствами для конденсаторостроения и магнитными характеристиками), для машиностроения - создание деталей машин, работающих в экстремальных условиях (высокая температура, механические нагрузки, газовая коррозия, радиация). На кафедре продолжаются многолетние исследования, направленные на создание эффективных режущих материалов с использованием большой группы сложных карбонитридов. Кафедра традиционно привлекает к научной работе большую группу инициативных студентов, активно приобретающих навыки самостоятельной работы. Результатом стало то, что практически по всем решаемым направлениям было за относительно короткий срок подготовлено более 10 докторов наук, несколько десятков кандидатов наук, сотни инженеров, которые успешно работают на предприятиях России и СНГ.
Научным направлением работы кафедры химической технологии строительных и специальных вяжущих веществ в области технологии силикатов является разработка вяжущих систем строительного и общетехнического назначения на основе щелочно-земельных и щелочных силикатов.
На основе портландцементного клинкера создана серия цементов, обладающих специальными свойствами: высокопрочные быстротвердеющие, безусадочные, расширяющиеся, в основу которых положен принцип «эттирингитового расширения», регулирующих реакции образования гипосульфоа-люмината кальция в твердеющей цементной системе. Используя, наряду с этим принципом, возможности модифицирования портландцемента полимерными высокомолекулярными соединениями разной химической природы, созданы вяжущие композиции с заданным уровнем деформационных свойств, прочности, скорости твердения, коррозионной стойкости цементного камня. Такие композиции востребованы для систем гидроизоляции строительных сооружений, для технологии набрызгбетонирования, в частности, при строительстве тоннелей на объектах ОАО «Метрострой».
Под руководством профессора В.И. Корнеева реализуется принцип направленного регулирования свойств цементных строительных растворов при разработке материалов для так называемого «сухого строительства» - разработке теоретических основ технологии производства сухих строительных смесей различного назначения: конструкционных, отделочных, теплоизоляционных, гидроизоляционных и др. Кафедра осуществляет научно-техническое сопровождение производства сухих строительных смесей на промышленных предприятиях, готовит специалистов для этой отрасли строительной индустрии, активно издает научно-техническую литературу [8,9]
Традиционными для кафедры являются работы в области водорастворимых силикатов, жидких стекол, коллоидных растворов кремнезема, полисиликатов щелочных металлов. С помощью методов физико-химического анализа (ИКС, ЯМР, нефелометрии) исследуются различные прикладные аспекты получения и строения силикатных и кремнеземсодержащих водных растворов. В частности, определенные успехи достигнуты в установлении зависимости вяжущих свойств силикатных растворов от их полимерного состояния и от распределения атомов кремния по типу связности (00-04). На основе выполненных на кафедре комплексных исследований, удалось создать ряд новых технических материалов и композиций, востребованных промышленностью: противопожарное стекло, готовые к применению кислотоупорные и клеевые составы, порошки гидратированных силикатов натрия [5].
Кафедра технологии неорганических веществ (основана профессором А.К. Крупским в 1871 г.) является одним из ведущих учебных и научных центров в области неорганической технологии. Выпускники кафедры работают на многих предприятиях и в научных институтах России и за рубежом. Многие из них стали руководителями крупных научных коллективов и промышленных предприятий.
Особый интерес проявляют потенциальные работодатели к подготовке студентов кафедры к проектно-технологиче-ской работе. Это направление чрезвычайно актуально в настоящее время в связи с проводимой в стране коренной реорганизацией химической промышленности и является эксклюзивным для кафедры технологии неорганических веществ среди аналогичных кафедр вузов страны.
С момента основания, деятельность кафедры технологии неорганических веществ тесно связана с прогрессом в области отечественной химической промышленности. Здесь проводятся широкомасштабные научные работы по изучению равновесия и кинетики физико-химических превращений в водно-солевых системах, фундаментальные научные исследования в области фазовых равновесий в системах газ-жидкость и жидкость-твердое, послужившие основой для создания широкого ассортимента технологических процессов производства различных неорганических продуктов, а также разработке конструкций новых типов высокоинтенсивного оборудования для их осуществления. Создание пенных аппаратов, позволивших резко интенсифицировать процессы абсорбции, пыле-и газоочистки в химической технологии, послужило основанием для внедрения в химическую промышленность новых технических решений в области производства азотной кислоты, минеральных удобрений, улучшить экологию на химических предприятиях. В настоящее время этот тип оборудования нашел широкое распространение в мировой практике.
На кафедре впервые в мире разработан и реализован в промышленности полугидратный метод производства экстракционной фосфорной кислоты, позволивший в несколько
раз сократить энергетические затраты в производстве фосфорсодержащих удобрений.
Кафедра технологии неорганических веществ в тесном контакте с химическими предприятиями занимается разработкой и усовершенствованием технологии минеральных удобрений, технических, кормовых и пищевых фосфатов, а также фосфатов медицинского назначения, магниевых соединений, в частности, адсорбентов на основе магнезии, а также созданием новых видов минеральных и органо-минеральных удобрений, подготовкой материалов для проектирования и освоением новых производств. Ведутся исследования по замене ап-патитового концентрата на туковых предприятиях на местное низкокачественное фосфатное сырье с сохранением качества и высоких физических свойств продуктов.
Химико-флотационный метод обогащения фосфатного сырья позволяет вовлечь в химическое производство практически любое известное в мире фосфатное сырье и довести качество концентрата до уровня лучших мировых образцов.
Широкий комплекс научных исследований в области азот-нокислотной переработки фосфатного сырья послужил основанием для реализации в химической промышленности производства комплексных минеральных удобрений, кормовых фосфатов, чистых солей для биологической и пищевой промышленности, медицины и различных областей техники.
Основные усилия коллектива сейчас направлены на разработку технических решений, которые могут быть оперативно реализованы в промышленности. Разработаны на уровне патентов и внедрены в производство новые виды экологически чистых минеральных удобрений на основе фосфатного сырья России. Существенным отличием использованных видов природных фосфатов является низкое содержание вредных примесей - кадмия, мышьяка, хрома, свинца, ртути.
Созданы гибкие технологические схемы, позволяющие оперативно переходить от выпуска одного вида продукции к другому.
На кафедре традиционно продолжаются работы по совершенствованию азотнокислой технологии переработки фосфатного сырья. На ОАО «АКРОН» внедрен новый технологический режим разложения аппатита азотной кислотой, что позволило достичь существенного экономического эффекта. Для этого же предприятия подготовлены материалы для организации выпуска чистого мела белизной свыше 95%. Предложен ряд технических решений по переработке на действующих туковых предприятиях фосфоритов Вятского месторождения.
На базе кислой переработки природных фосфатов созданы способы производства кормового дикальцийфосфата с использованием в качестве составляющих полупродуктов сер-но- и азотнокислого разложения фосфатного сырья. Отработаны способы очистки экстракционной фосфорной кислоты с целью получения из нее технических и пищевых фосфорных солей и моющих средств. Разработана новая технология кормового термофосфата и пищевых фосфатов.
Практика внедрения новых технологий и имеющийся научный материал по переработке различных видов фосфатного сырья указывает на универсальность разработанных технических решений и возможность их применения для других видов фосфатного сырья, в частности фосфоритов Азии и Африки.
Отработаны безотходные технологии получения магнезии и магнийсодержащих солей из низкокачественного сырья. Получаемая магнезия обладает высокими абсорбирующими свойствами и может быть использована в качестве абсорбента для различных целей, в частности, для обезвреживания радиоактивных выбросов атомных электростанций.
Созданы технологии чистых фосфорных солей медицинского назначения с регулируемыми физико-химическими свойствами.
Развернуто новое оригинальное научное направление по созданию противогололедных материалов с регулируемыми свойствами.
В рамках договора с ФГУП Центральное конструкторское бюро морской техники «Рубин» на кафедре проводятся исследования по разработке технологии и созданию производства ионного дезинфицирующего препарата АЩХ-К.
Проведен широкий комплекс научно-прикладных исследований по переработке железо-марганциевых конкреций бас-
48 .В
сейна Балтийского моря, осуществлен пуск по этой технологии первой очереди крупного промышленного предприятия.
Многолетний опыт работы с промышленностью позволяет коллективу кафедры не только разрабатывать новые технологии производства твердых и жидких минеральных удобрений и технических солей, но и организовывать производства по экологически замкнутым технологическим схемам.
Промышленные разработки кафедры защищены многочисленными патентами.
Привлечение для проведения научных и прикладных исследований специализированных фирм позволяет более эффективно осуществлять контакты с промышленностью. Таким путем удается достигнуть комплексного решения вопроса, взять на себя выполнение не только лабораторных исследований, но и промышленно-конструкторских и пуско-наладочных работ.
Кафедра технологии катализаторов, созданная в 1966 г. профессором И.П. Мухленовым, являющаяся единственной кафедрой такого профиля в Российской Федерации, выпускает дипломированных специалистов по технологии катализаторов и каталитическим процессам. В состав кафедры входят научно-исследовательская лаборатория «Сорбционно-каталити-ческие материалы и технологии», занимающаяся разработкой принципиально новых катализаторов, сорбентов и носителей для различных целей: экологической и технологической газо-и водоочистки; газоподготовки в системах жизнеобеспечения; для генераторов чистых газов и газоаналитической аппаратуры. Кроме того, на кафедре функционирует «Аналитическая лаборатория», аккредитованная на соответствие международного стандарта ИСО/МЭК 17025. в области контроля содержания 49 вредных веществ в промышленных выбросах в атмосферу, в воздухе рабочей зоны и атмосферном воздухе.
Осуществление процессов с использованием катализаторов, значительно ускоряющих химические превращения, - существенная черта современной практической химии. Успех в технологии катализаторов определяет показатели базовых отраслей промышленности: химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей, пищевой, производство лекарственных препаратов и во многих других. Поэтому улучшение свойств катализаторов или оптимизация условий протекания каталитического процесса и совершенствование конструкции реактора значительно повышает производительность и эффективность производства.
Теоретическое осмысливание сущности каталитического действия; экспериментальное определение механизма протекания реакции; разработка новых высокоэффективных контактных масс и усовершенствование существующих; исследование закономерностей, связывающих каталитическую активность с химическим составом, строением и электронной структурой катализаторов; сознательное управление процессом создания катализаторов с заранее заданными свойствами (химическим составом, оптимальной пористой структурой, прочностью гранул и блоков) - этими и многими другими вопросами занимаются ученые кафедры технологии катализаторов. В последнее время все большее внимание уделяется решению экологических проблем каталитическими методами, катализу в водородной энергетике, применению нано-технологии при синтезе катализаторов [10-13].
На базе имеющихся теоретических разработок на кафедре создано много новых гранулированных и блочных катализаторов для окисления SO2, Н2, гетерогенной полимеризации тет-рагидрофурана, очистки газов от СО, SO2, N0 и N02 и органических веществ (акролеина, фенола, формальдегида, стирола и других примесей), для нейтрализации выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, конверсии жидких и газообразных углеводородов. В последние годы в синтезе катализаторов используются нетрадиционные виды сырья, а именно: различные виды промышленных отходов (гальва-ношламы, отходы производства солей Мп, Rb и Се, электротермического производства кремния и другие).
На кафедре созданы научные основы синтеза сферических «корочных» катализаторов с регулируемым распределением активных компонентов по глубине гранулы, а установленный механизм стабилизации поверхности и структуры у-А!203 послужил научной основой для создания нового класса катализаторов окисления (СО, НС1, S02 и углеводородов) со «стабилизированной» поверхностью, устойчиво работающих в условиях агрессивных реакционных сред. Впервые разрабо-
тан низкотемпературный сферический катализатор для санитарной очистки воздуха от СО и органических веществ, опытные партии которого поставлялись на заводы, выпускающие воздухоочистители (надплитные кухонные, промышленные).
Применение метода кипящего слоя оказалось целесообразным для окисления диоксида серы. Однако реализация его в кипящем слое потребовала износоустойчивого катализатора, технология которого как мелкосферического (диаметр частиц d =0,5-3,2 мм), так и крупносферического {частицы с d>3,2 мм) была разработана на кафедре.
Кафедра технологии катализаторов имеет приоритет в разработке капсулированных (панцирных) контактных масс. Технология нанесения пористых высокопрочных оболочек в сочетании с научными основами выбора для них композиционных материалов и прогнозирования каталитической активности позволяет организовать выпуск нового класса катализаторов с повышенными эксплуатационными характеристиками.
Взаимодействие газов и жидкостей лежит в основе многих технологических операций химических производств. Значительная часть этих процессов может проводиться и уже проводится в интенсивно работающих пенных аппаратах. Теоретические основы принципиально нового режима обработки газов и жидкостей изучаются в течение многих лет на кафедре и особенно успешно развиваются и находят широкое применение при разработке новой, более интенсивной аппаратуры.
Катализаторы и каталитические реакторы являются главной составляющей любого химического процесса и от профессиональных знаний выпускников кафедры зависит как конкурентоспособность и рентабельность отдельного предприятия, так и уровень развития и благополучие целой отрасли.
На факультете широко практикуется подготовка высококвалифицированных специалистов в рамках интеграции с ведущими предприятиями и научными учреждениями: Институт химии силикатов РАН, ГОИ им. С.И. Вавилова, ФГУП «ЦНИИ материалов», ООО «Вириал», ОАО «Боровичский комбинат огнеупоров», «Объединенная катализаторная компания» (Москва»), ОАО «Магнезит», Физико-технический институт им. Ф.Ф. Иоффе РАН, родственные кафедры РХТУ им. Д.И. Менделеева и многие другие. Преподаватели факультета широко публикуют результаты своей деятельности в виде монографий, учебных пособий, научных статей.
Литература
1. Прохорова Т.И., Тагильцева Н.О., Пивоварова А.П. Кварцевое стекло. Уч.пособие. СПб. Изд-во «Синтез». 2008. 36 с.
2. Страхов В.И., Пивоварова А.П., Павлова Е.А. Фазовые соотношения в ниобатных, танталатных и титанатных системах. Учебное пособие. СПб, Изд-во «Синтез», 2008.41 с.
3. Осокина Н.А., Страхов В.И. Рентгеновские методы. Учебное пособие. СПб, Изд-во «Синтез», 2008. 95 с.
4. Страхов В.И., Павлова Е.А., Судариков А.М., Голованов А.А. Фазовые преобразования и свойства материалов цирконатных систем./ СПб., ЛГУ им. А.С. Пушкина. 2006. 163 с.
5. Орданьян С.С., Унрод В.И. Эвтектики с участием тугоплавких соединений и их модели - спеченные композиции // Новые огнеупоры. № 7. 2005. C. 42-48.
6. Брыков А.С. Водные силикатные и кремнесодержащие системы: уч.пособие. СПб, 2005. 32 с.
7. Суворов С.А., Боброва Т.И., Тарабанов В.И. Слюдофос-фатные материалы и изделия. / СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2007. 254 с.
8. Корнеев В.И., Зозуля П.В. Что есть что в сухих строительных смесях. СПб, 2004. 312 с.
9. Корнеев В.И., Зозуля П.В., Медведева И.Н. Сухие строительные смеси. СПб, 2008. 321 с.
10. Масленникова И.С., Сороко В.Е. Управление эффективностью использования невозобновляемых природных ресурсов. СПб. РТП ИК «Синтез». 2004. 46 с.
11. Масленникова И.С, Луцко Ф.Н. Основы химической технологии. Управление химико-технологическими процессами. СПб. РТП ИК «Синтез». 2004.
12. Луцко Ф.Н., Прокопенко А.Р., Сороко В.Е. Химико-технологические расчеты с применением MathCAD. СПб. РТП ИК «Синтез». 2006. 456 с.
13. Сороко В.Е., Власов Е.А., Еронько О.Н. и др. Экономико-технологические основы управления предприятием природопользования. / СПб.: Изд-во СПбГИЭУ, 2007. 374 с.
S 49
