CC BY
14спрямованосп, вона може диференцшватися за-лежно ввд процесу керування[7].
Звичайно, проблема формування у студенпв умiння вчитися самостiйно переростае у проблему попереднього тдвищення навчально! мотивацп, виховання iнтересу до навчання. Пiдвищення моти-ваци студентiв до навчання е одним iз прiоритетних завдань викладача. Мотивацiею студентiв при вив-ченнi конкретних тем дисциплiни може бути само-стiйний пошук, щ^р та обробка шформаци з 1н-тернету по данiй тематицi. А також може бути ство-рення проектних завдань, пiдготовка доповвдей з використанням мультимедiйних технологiй. Таким чином, ва фактори, пов'язанi з тзнавальною актив-нiстю, стають бiльш усвщомленими i дiевими, тдсилюеться !х роль у навчальнш дiяльностi, зрос-тае актившсть студентiв у перебудовi мотивацшно! сфери.
Список лiтератури
1. Апшай Н. I. Застосування сучасних 1КТ в навчанш /Н.1. Апшай, М.В. Апшай// Бiблiотечно-iн-формацiйний сервiс: сучасний стан i перспективи розвитку: матерiали М1жнар.наук.-практ. конф, 14-15жовт.2010р. Х.:ХНТУСТ, 2010.-с.129 -130.
2. Державна програма «1нформацшш техно-логй' в освт i наущ» на 2006-2010 роки: затв. По-становою Каб. Мiнiстрiв Украши ввд 07.12.2005 р. № 1153// Офщ. Вiсн. Украни. - 2005. - №49. - ст. 3058.
3. Еременко Т.В. Формирование информационной культуры современного университетского сообщества: опыт проектного развития /Т.В. Еременко// Науч. и техн. б-ки. -2004. -№4. -с.68 =75.
4. Колин К.К. Социальная информатика: Учебное пособие для вузов. - М.: Академический проект; М.: Фонд «Мир», 2003. - 432с.
5. Корытникова Н.В. Интернет как средство производства сетевых коммуникаций в условиях виртуализации общества /Н.В. Корытникова// Со-цис. -2007. -№2. -с.85 -93.
6. Риженко А.А. Про структурування шформаци в шформацшно- аналггачних системах А.А. Риженко НТ1.- 2008.- №1.-с. 35 -38.
7. Симонян К.В. Методика использования компьютерных технологий при организации самостоятельной работы студентов: языковой вуз, начальный этап.: дис. канд. пед. наук: 13.00.02 / К.В. Симонян. - М., 2008.-213 с.
ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРНО-ПОВЕРХНОСТНЫХ СВОЙСТВ АЛЮМОКРЕМНИЕВЫХ КОМПОЗИТОВ, ПОЛУЧЕННЫХ НА ОСНОВЕ КИСЛОТНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ АЛЮМОСИЛИКАТНОГО СЫРЬЯ
Веляев Ю. О.
ФГАОУ ВО «Севастопольский государственный университет», Политехнический институт, кандидат технических наук, доцент;
Илюхина Е.М.
ФБУЗ "Центр гигиены и эпидемиологии в Курской области ", химик-эксперт физико-химической лаборатории токсикологического отделения Покинтелица Н.И.
ФГАОУ ВО «Севастопольский государственный университет», Политехнический институт, доктор технических наук заведующий кафедрой, профессор ПрокопенкоИ.А.
ФГАОУ ВО «Севастопольский государственный университет», Политехнический институт, кандидат технических наук, доцент
Графова А.Е.
ФГАОУ ВО «Севастопольский государственный университет», Политехнический институт, старший преподаватель
Еременко В.Г.
ФГАОУ ВО «Севастопольский государственный университет», Политехнический институт, старший преподаватель
STUDY OF STRUCTURAL AND SURFACE PROPERTIES OF ALUMINUM-SILICON COMPOSITES OBTAINED ON THE BASIS OF ACID DECOMPOSITION ALUMINUM SILICATE
RAW MATERIALS
Velyaev Yu.
Sevastopol State University, Polytechnic Institute, candidate of Engineering, assistant professor
Ilyuhina E.
Center of hygiene and epidemiology in Kursk region, Department of toxicology, physical and chemical laboratory,
consulting chemist Pokintelitsa N.
Sevastopol State University, Polytechnic Institute, doctor of Engineering, head of the Department, professor
Prokopenko I.
Sevastopol State University, Polytechnic Institute, candidate of Engineering, assistant professor
Grafova A.
Sevastopol State University, Polytechnic Institute,
senior lecturer
Eremenko V.
Sevastopol State University, Polytechnic Institute,
senior lecturer
Аннотация
Представлены результаты исследования по выявлению связи между концентрацией серной кислоты, взятой для разложения нефелинового концентрата, и удельной поверхностью получаемых алюмокремни-евых композиционных соединений. Исследования показали, что с увеличением концентрации H2SO4 от 12 до 20%, увеличивается и удельная поверхность получаемых на основе этого процесса материалов от 385,514 до 447,543 м2/г соответственно. Представлены данные по другим структурно-поверхностным свойствам образцов: удельному объему пор, ширине и диаметру пор, а также среднему диаметру частиц. Приводятся электронные микрофотографии образцов.
Abstract
The article presents the results of a study to identify the relationship between the concentration of sulfuric acid taken for the decomposition of nepheline concentrate and the specific surface area of the resulting aluminum-silicon composite compounds. Studies have shown that with an increase in the concentration of H2SO4 from 12 to 20%, the specific surface area of the samples increases from 385.514 to 447.543 m2/g, respectively. Data on other structural and surface properties of the samples are presented: specific pore volume, pore width and diameter, as well as the average particle diameter. Scanning electron microscope micrographs of the samples are presented.
Ключевые слова: алюмокремниевые композиционные материалы, сернокислотное разложение, нефелин, структурно-поверхностные свойства, удельная поверхность.
Keywords: aluminum-silicon composite materials, sulfuric acid decomposition, nepheline, structural and surface properties, specific surface area.
Совершенствование технологий получения композиционных материалов с развитой удельной поверхностью и особым строением их пористой структуры является одной из актуальных задач современного материаловедения. Особое внимание уделяется контролируемому синтезу материалов с заданными свойствами, к которым может быть отнесена удельная поверхность, удельный объём, ширина и диаметр пор, средний размер частиц и другие структурно-поверхностные свойства. Эти показатели являются важными при использовании получаемых материалов в традиционных сферах их применения, таких как сорбционная очистка промышленных вод, каталитическая промышленность, строительная сфера, ракетно-космическая отрасль и многих других [2,4,6,7].
Особое место среди высокопористых материалов занимают кремнезёмсодержащие композиты
[3,5,8], полученные в ходе поликонденсации кремнезёмсодержащих растворов при их совместном присутствии с другими неорганическими компонентами, проявляющими полимерные свойства. Такими компонентами могут быть гидроксиды алюминия, циркония и других элементов. Получаемые комбинированные композиты могут проявлять уникальные свойства [1,9,12,14] и использоваться в качестве подложки в тех каталитических процессах, где их моноструктурные аналоги нужных свойств бы не проявляли. Например, алюмокремни-евые подложки могут стабилизировать активную циркониевую фазу на себе, что и делается с целью получения катализатора для получения высокооктановых бензинов [10,11,13,19].
Обычно такие композиционные материалы получают из реактивного сырья, поскольку требования по химической чистоте к ним предъявляются
достаточно высокие. Это способствует достаточно высокой их цене, а также усложнению технологического оформления процесса их получения. Этих недостатков можно избежать, если использовать в качестве исходного сырья техногенные отходы. Таким сырьём может выступать нефелиновый концентрат, который производиться на Кольском полуострове ОАО «Апатит» (г. Кировск). Это сырьё является побочным продуктом апатит-нефелинового производства, в процессе которого нефелин, как сопутствующий апатиту минерал, отделяется с помощью флотации. При этом, если апатит является целевым компонентом и успешно реализуется предприятием, то образующийся нефелиновый концентрат не находит широкого рынка сбыта и складируется на близлежащих территориях в
огромных количествах, что неблагоприятно сказывается на экологической обстановке региона, особенно в бесснежные месяцы, когда наблюдается сильный пылевынос с мест его складирования.
В тоже время нефелиновый концентрат обладает рядом уникальных свойств. Он обладает высоким постоянством химического и минералогического состава, а также легко вскрывается практически всеми неорганическими и даже некоторыми органическими кислотами в стандартных условиях, что становится возможным благодаря уникальному кристаллохимическому строению нефелина (рис. 1), из которого на 80-85% состоит нефелиновый концентрат.
Как видно из приведённого рисунка, в нефелине каждый Si-тетраэдр окружен 4А1-тетраэдрами, а каждый А1-тетраэдр окружен 4Si-тетраэд-рами, то есть в нефелине наблюдается чередование М и Si тетраэдров. Учёными ИХТРЭМС КНЦ РАН установлено [17], что благодаря такому строению кислотная обработка этого минерала приводит к полному разрушению его структуры и сопровождается переходом в раствор не только кислотораство-римых компонентов (Л1, К), но и кремнезёмных комплексов, что отражено в приведённой далее реакции:
2-
(№,К)20А120З^Ю2 + 8Н+ + 480 2 + aq ^
2- 4-
2(№,К)+ + 2А13+ + 480 2 + 28Ю 4 + 8Н+ + aq Как видно из приведённого уравнения реакции в ходе его кислотного (в данном случае сернокислотного) разложения образуются соли каркасооб-разующих металлов, а также мономолекулярная кремниевая кислота, которая с течением времени поликонденсируется с образованием крупных кремнезёмных агломератов [16], что может быть представлено следующей схемой (рис. 2):
n[Si04]
4-
он-1 зн+
n[H3Si04l-орто-
2Н+ (- Н20) ■4-►
n/2[Si207]6- nH+ (-n/2 Н20) [Sin03nl2n-
■4-►
ОН | 4Н+
n/2rH4Si207l2v диорто-
■I
ОН" пН+
-► [HuSin03lllü-
11=3-6, мета-(циклы)
Рис. 2. Схема полимеризации кремниевой кислоты.
Однако, такая глубокая полимеризация кремниевой кислоты наблюдается лишь при длительном старении полученных растворов, в случае если к ним не применяется дополнительного воздействия.
В то же время соли алюминия, которые также присутствуют в растворе от разложения нефелина способны к гидролизу, на чём и основывается использование полученных растворов в качестве коа-гулянта-флокулянта [15,18].
Если же сразу проводить принудительный гидролиз получаемого от сернокислотного разложения нефелинового концентрата, то образуются хлопьевидные комплексные агломераты, состоящие из
хлопьев гидроксида алюминия, на которые налипает полимеризованная кремниевая кислота. Особый интерес представляют структурно-поверхностные свойства образующихся агломератов и их зависимость от концентрации серной кислоты, взятой для разложения, что и было предметом изучения данного исследования.
Для проведения экспериментов брали стандартный нефелиновый концентрат содержащий, мас.%: АЬОз - 28.48 (АЪОз кислоторастворимый - 25.72); №20 - 14.25; К2О - 7.24; Бе20з - 3.74; SiO2 - 43.3. Навеска нефелина загружалась в химический реак-
тор, куда добавлялась дистиллированная вода, в количестве необходимом для разбавления концентрированной серной кислоты (1,830 г/ см3) до концентрации 12, 14, 16, 18 и 20%. Серная кислота бралась с учётом 90% расхода от стехиометрического количества на ЦАЪОзкр., №20, К2О). Разложение проводилось в течение 15 минут при постоянном перемешивании. По окончании разложения фильтрацией отделялась кислотонерастворимая часть, а фильтрат гидролизовался путём добавления к нему 1Н раствора аммиака до рН = 8,50. Затем полученный хлопьевидный осадок отделялся фильтрацией, промывался, до отсутствия качественной реакции на 8042- по катиону бария, дистиллированной водой, после чего сушился при температуре 105оС до постоянной массы. Далее изучалась морфология полученных агломератов и их структурно-поверхностные свойства.
Морфологию полученных композиционных материалов исследовали с помощью растрового электронного микроскопа Quanta FEG 650 с приставкой рентгеновского микроанализа EDAX на базе ООО «МНТЦ», г. Курск.
Данные по структурно-поверхностным свойствам были получены методами BET и BJH с использованием анализатора удельной поверхности и пористости TriStar II 3020, где в качестве газа ад-сорбата применялся азот.
Морфология полученных агломератов приведена на рисунке 3, из которого видно, что полиме-ризующиеся гидроксиды алюминия и кремниевая кислота во всех случаях слипаются в бесформенные агломераты, состоящие из частиц диаметром от 40 до 300 нм. При этом, следует отметить, что концентрация исходной серной кислоты, взятой для разложения нефелинового концентрата особого влияния на размер и форму образующихся агломератов не оказывают.
д)
Рис. 3.
Микрофотографии полученных алюмокремниевых композитов, полученных разложением нефелина H2SO4 концентрацией, %: а) 12; б) 14; в) 16; г) 18; д) 20.
Структурно-поверхностные свойства полученных образцов приведены в таблице. По приведённым данным чётко прослеживается прямопропор-циональная зависимость удельной поверхности от концентрации серной кислоты, взятой на разложение нефелинового концентрата, которая возрастает с увеличением концентрации Н28О4, от 385,514 м2/г при вскрытии нефелина 12%, до 447,543 м2/г при его разложении 20% кислотой. В то же время характеристики пористой структуры отличаются более
ли менее выраженной стабильностью, которая варьируется в небольших пределах от среднего значения. Средний диаметр частиц убывает с увеличением удельной поверхности и концентрации кислоты, взятой на разложение нефелинового концентрата, что является следствием математической зависимости данного параметра от внешней удельной поверхности. Микропоры судя по всему в полученных образцах отсутствуют.
Таблица.
Структурно-поверхностные свойства алюмокремниевых композитов, полученных разложением нефе_лина Н2вР4 разной концентрации._
Композиты, полученные разложением нефелина, и последующим гидролизом полученного раствора
Концентрация ---Н2Я04 Показатель ———___ 12% 14% 16% 18% 20%
1. Удельная поверхность по методу БЭТ, м2/г 376,325 411,612 420,056 425,796 434,407
2. Удельная внешняя поверхность, м2/г 385,514 421,606 436,811 443,646 447,543
3. Удельный объем пор (1.7 нм 300 нм), по методу БШ (адсорбция), см3/г 0,714 0,799 0,634 0,597 0,680
4. Ширина пор по методу БЭТ, нм 7,206 7,679 6,253 5,793 6,263
5. Диаметр пор по методу БШ (десорбция), нм 6,731 6,735 5,282 5,183 5,492
6. Средний диаметр частиц ^=6/(8уд.внеш.-р) (р = 3319 кг/м3), нм 4,689 4,288 4,139 4,075 4,039
Таким образом, в ходе проведения исследования было установлено, что для данных алюмокрем-ниевых композитов, которые представляют собой бесформенные агломераты, образованные из частиц диаметром от 40 до 300 нм, их удельная поверхность находится в прямопопорциональной зависимости от концентрации серной кислоты, взятой на разложение нефелинового концентрата. Соответственно, с помощью варьирования этим технологическим параметром на этапе разложения нефелина, возможен контроль и прогнозирование свойств получаемых структур, обладающих развитой удельной поверхностью.
Список литературы
1. Abbas, S.M. Enhancement of the hardness and wear-resistance of aluminumsilicon alloy using atmospheric plasma-sprayed ZrO2, AbO3-ZrO2 multilayer, and AbO3/ZrO2 composite coatings / S.M. Abbas, A. Elayaperumal, S. Arulvel // Surf. Topogr.: Metrol. Prop. - 8. - 2020. - 025027, DOI: 10.1088/2051-672X/ab9681;
2. Arasi, M.A. Production of mesoporous and thermally stable silica powder from low-grade kaolin based on eco-friendly template free route via acidification of appropriate zeolite compound for removal of cationic dye from wastewater / M.A. Arasi, A. Salem, S. Salem // Sustainable Chemistry and Pharmacy. - 19. - 2021. - 100366, DOI:10.1016/j.scp.2020.100366;
3. Guo, H. Microstructure and thermophysical properties of SiC/Al composites mixed with diamond / H. Guo, Y. Han, X. Zhang, C. Jia, J. Xu // Trans. Non-ferrous Met. Soc. China. - 25. - 2015. - P. 170-174, DOI: 10.1016/S1003-6326(15)63592-0;
4. Karloopia, J. Influence of In Situ Titanium di-boride particulate reinforcement on mechanical properties of aluminum-silicon based metal matrix composites / J. Karloopia, S. Mozammil, P.K. Jha // JOM. -Vol. 72. - №8. - 2020. - P. 2927-2936, DOI: 10.1007/s11837-020-04245-x;
5. Ketov, A. Amorphous silica wastes for reusing in highly porous ceramics / A. Ketov, V. Korotaev, L. Rudakova, I. Vaisman, L. Barbieri, I. Lancellotti. // International Journal of Applied Ceramic Technology. -V18. - Issue 2. -2021. - P. 394-404, DOI: 10.1111/ijac.13654;
6. Mollaei, M. A parametric study on mechanical properties of aluminum-silicon/SiO2 nano-composites by a solid-liquid phase processing / M. Mollaei, M. Azadi, H. Tavakoli // Applied Physics A. - 2018. -124:504, DOI:10.1007/s00339-018-1929-2;
7. Omodara, O. Improved mechanical and wear characteristics of hypereutectic aluminium-Silicon alloy matrix composites and empirical modelling of the wear response / O. Omodara, O.O. Daramola, J.L. Olajide, A.A. Adediran, O.S. Akintayo, B.O. Adewuyi, D.A. Desai, E.R. Sadiku // Cogent Engineering. - Volume 7. - Issue 1. - 2020. - 1787010, DOI: 10.1080/23311916.2020.1787010;
8. Peng, J. Effect of rare earth Pr on microstructure and mechanical properties of Al2O3-SiO2(sf)/Al-Si composites / J. Peng, W. Li, F. Huang, J. Du // Trans. Non-ferrous Met. Soc. China. - 19. - 2009. - P. 1081-1086, DOI: 10.1016/S1003-6326(08)60410-0;
9. Salehi, A. Microstructural and mechanical properties of Al-SiO2 nanocomposite foams produced by an ultrasonic technique / A. Salehi, A. Babakhani, S.M. Zebarjad // Materials Science & Engineering A. - 638. - 2015. - P.54-59, DOI:10.1016/j.msea.2015.04.024;
10. Shi, X. Catalytic conversion of xylose to furfural over the solid acid SO42-/ZrO2-Al2Os/SBA-15 catalysts / X. Shi, Y. Wu, P. Li, H. Yi, M. Yang, G. Wang // Carbohydrate Research. - 2011. - 346. - P. 480-487, DOI: 10.1016/j.carres.2011.01.001;
11. Vlasov, E.A. On synthesis and characterization of sulfated alumina-zirconia catalysts for isobutene alkylation / E. A. Vlasov, S. V. Myakin, M. M. Sychov, A. Aho, A. Yu. Postnov, N. V. Mal'tseva, A. O. Dol-gashev, Sh. O. Omarov, D. Yu. Murzin // Catal Lett. -
2015. - 145. - P.1651-1659, DOI: 10.1007/s10562-015-1575-7;
12. Wang, K. Preparation, thermal analysis and mechanical properties of in-situ AI2O3 / SiO2(p)/Al composites fabricated by using zircon tailing sand / K. Wang, W. Li, J. Du, P. Tang, J. Chen // Materials and Design. - 99. - 2016. -P. 303-313, DOI: 10.1016/j.matdes.2016.03.064;
13. Yuferova, E. A. Hybrid catalysts based on sulfated zirconium dioxide and H-beta zeolite for alkylation of isobutane with isobutylene / E. A. Yuferova, S. Yu. Devyatkov, S. P. Fedorov, K. V. Semikin, D. A. Sladkovskii, N. V. Kuzichkin // Russian Journal of Applied Chemistry. - 2017. - Vol. 90. - №. 10. - P. 16051613, DOI: 10.1134/S1070427217100081;
14. Zhu, H. Reaction mechanism and mechanical properties of an aluminumbased composite fabricated in-situ from Al-SiO2 system / H. Zhu, K. Dong, J. Huang, J. Li, G. Wang, Z. Xie // Materials Chemistry and Physics. - 145. - 2014. - P 334-341 DOI: 10.1016/j.matchemphys.2014.02.020;
15. Веляев, Ю.О. Усовершенствование технологии получения алюмокремниевого коагулянта-флокулянта на основе серно-кислотного вскрытия нефелина / Веляев Ю.О., Майоров Д.В., Захаров К.В. // Химическая технология. - Т.12. - № 10. -2011. - С.614-620;
16. Веляев, Ю.О. Изучение кинетики полимеризации кремниевой кислоты при сернокислотной переработке нефелина / Ю.О. Веляев, Д.В. Майоров, В. А. Матвеев // Auditorium. - №1 (1). - 2014. -С. 33-38;
17. Захаров, В.И., Химико-технологические основы и разработка новых направлений комплексной переработки и использования щелочных алюмосиликатов / В.И. Захаров, В.Т. Калинников, В.А. Матвеев, Д.В. Майоров. Монография. 4.I. Апатиты. Изд. КНЦ РАН. 1995. 181 с.;
18. Кузин, Е.Н. Комплексные коагулянты в процессах очистки сточных вод молочной промышленности / Е.Н. Кузин, Н.Е. Кручинина, Я.В. Тяг-лова, П.С. Громовых // Химия в интересах устойчивого развития. - 2020. - Т.28. - № 4. - С. 401-406;
19. Смоликов М. Д. Катализаторы изомеризации бензиновых фракций на основе сульфатирован-ного диоксида циркония, нанесенного на y-Al2O3 / М. Д. Смоликов, Л. И. Бикметова, Д. И. Кирьянов // Катализ в промышленности. - 2014. - №5. - С. 44 -48.
