CC BY
75
ОСОБЕННОСТИ СИНТЕЗА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ КЕРАМИКИ С КОМПЛЕКСОМ ЗАДАННЫХ СВОЙСТВ РАДИАЦИОННЫМ МЕТОДОМ. ЧАСТЬ 4
Рахимов Р. Х., Рашидов Х. К., Ермаков В. П., Егамедиев С., Рашидов Ж. Х.
1.4. ОСОБЕННОСТИ СИНТЕЗА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ КЕРАМИКИ С КОМПЛЕКСОМ ЗАДАННЫХ СВОЙСТВ РАДИАЦИОННЫМ МЕТОДОМ.
ЧАСТЬ 4
Рахимов Рустам Хакимович, доктор технических наук, зав. лабораторией №1. Институт Материаловедения. Научно-производственное объединение «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. E-mail: [email protected]
Рашидов Хуршид Камолиддинович, главный технолог «Ангренэнергоцветмет» г. Ангрен, Узбекистан. E-mail: [email protected]
Ермаков Владимир Петрович, старший научный сотрудник, лаборатория №1. Институт Материаловедения. Научно-производственное объединение «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. E-mail [email protected]
Егамедиев Серик, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института Ядерной Физики АН РУз. E-mail: [email protected]
Рашидов Жасур Хуршидович, младший научный сотрудник, лаборатория №1. Институт Материаловедения. Научно-производственное объединение «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. E-mail: [email protected]
Аннотация: В статье рассматривается возможность применения импульсных преобразователей на основе функциональной керамики в экологических и гидрометаллургических технологиях. Показано, что обработанный инфракрасными импульсами с различным фронтом нарастания каолин, образует наноструктуры для эффективной адсорбции ионов цезия.
Ключевые слова: керамические материалы, сточные воды, оксидные материалы, каолин, инфракрасные преобразователи, адсорбция, импульсные системы.
1.4. FEATURES OF SYNTHESIS OF FUNCTIONAL CERAMICS WITH A COMPLEX OF THE SET PROPERTIES BY A RADIATION METHOD. PART 4
Rakhimov Rustam Khakimovich, Dr. of sciences, head of laboratory №1. Institute of materials science, «Physics-sun». Uzbekistan Academy of sciences. E-mail: [email protected]
Rashidov Khurshid Kamoliddinovich, Main technologist «Angrenenergosvetmet», Uzbekistan, E-mail: [email protected]
Yermakov Vladimir Petrovich, laboratory №1. Institute of materials science, «Physics-sun». Uzbekistan Academy of sciences. E-mail: [email protected]
Yegamediev Seric, PhD, senior research associate, institute of nuclear physics of academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan, E-mail [email protected]
Rashidov Jfsur Khurshydovich, laboratory №1. Institute of materials science, «Physics-sun». Uzbekistan Academy of sci-ences. E-mail: [email protected]
Abstract: In article the possibility of use of pulse converters on the basis of functional ceramics in ecological and hydrometallurgical technologies is considered. It is established that the kaolin processed by infrared impulses with various front of increase, forms nanostructures for effective adsorption of ions of caesium.
Index terms: сeramic materials, sewage, oxidic materials, kaolin, infrared converters, adsorption, pulse systems.
В связи с бурным развитием таких областей человеческой деятельности как атомная энергетика, горнодобывающая и перерабатывающая промышленность, встает проблема более
полного извлечения токсичных и радиоактивных, так и редких, дорогих элементов из почвы и сточных вод.
Целью данной работы является создание и синтез наноструктурированных материалов с высокими сорбционными свойствами на основе доступного и дешевого сырья. При этом технология процесса синтеза таких материалов должна быть относительно простой и малозатратной, в том числе и по расходу энергии.
Как сообщалось ранее [1], разработан класс материалов, позволяющих преобразовывать непрерывное излучение широкого спектрального диапазона, включая и солнечную энергию, в импульсное излучение с определенными временными характеристиками в относительно узком спектральном диапазоне.
В предыдущей публикации [2] на примере каолина с низким содержанием алюминия было показано, что под действием импульсного излучения, генерируемого функциональной керамикой на основе оксида железа, значительно снижаются затраты на энергоносители и реагенты, чем обеспечивается высокая рентабельность доселе нерентабельного технологического процесса.
Характерной особенностью генерируемого импульсного излучения является то, что импульсы имеют высокие фронты нарастания, которые можно регулировать в широких пределах, изменяя состав керамики и технологию ее получения. Это позволяет получить новые эффекты, которые до сих пор не были известны [3].
Имеется много областей применения таких материалов для принципиально нового подхода к решению большинства проблем, которые на сегодняшний день решаются неэффективно или не решаются вовсе.
Следует особо подчеркнуть, что в настоящее время такие импульсные преобразователи возможно синтезировать только под воздействием концентрированной солнечной энергии [2].
Дело в том, что в таком режиме на вещество воздействует мощный поток фотонов с очень широким набором энергий, результатом чего является образование всех возможных мета-стабильных состояний для данного вещества
или соединения. Это приводит к искажениям кристаллической решетки. В результате образуются определенные наноструктуры, благодаря которым функциональная керамика приобретает особые свойства. В частности, термостойкость и прочность целевого материала резко возрастает, так как не наблюдается вторичной рекристаллизации и роста трещин выше значения критического размера. Кроме того, в процессе синтеза происходят фотохимические реакции, допустимые в этом диапазоне энергий.
Ангренский вторичный каолин имеет высокую сорбционную способность, в частности, к цезию. Однако его применение ограничено
V л
тем, что после взаимодействия 1 г каолина с 25 мл водной фазы указанных ионов в течение 24 час, для отделения водной фазы с помощью фильтрования через бумажный фильтр требуется не менее 48 часов.
Метакаолин, полученный из вторичного ан-гренского каолина под воздействием ИК-импульсов, генерируемых одним типом функциональной керамики [2], имел существенно более низкую сорбционную способность, но легко отделялся через бумажный фильтр в течение 3 часов.
Таким образом, возникла проблема разработки и синтеза материала на основе вторичного ангренского каолина для практического применения, с улучшенными характеристиками, пригодными для практического применения.
В связи с этим изготовлена установка с излучателями на основе 3 типов функциональной керамики:
1. оксида железа с максимумом излучения
ЗА Ч/ Ч/
,3 микрон и минимальной крутизной нарастания импульса [2];
2. двухимпульсная керамика КС с максимумом излучения 16 микрон и плотностью энергии 400 Вт/см2 [3];
3. керамика МС с высоким фронтом нарастания импульса, с максимумом излучения 16 микрон и плотностью энергии 200 Вт/см2 [1].
Вторичный ангренский каолин, под воздействием импульсного излучения, генерируемо-
ОСОБЕННОСТИ СИНТЕЗА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ КЕРАМИКИ С КОМПЛЕКСОМ ЗАДАННЫХ СВОЙСТВ РАДИАЦИОННЫМ МЕТОДОМ. ЧАСТЬ 4
Рахимов Р. Х., Рашидов Х. К., Ермаков В. П., Егамедиев С., Рашидов Ж. Х.
го функциональной керамикой, превратился в наноструктурированный метакаолин.
Далее было проведено изучение сорбции радионуклидов цезия и кобальта на исходном вторичном каолине Ангренского месторождения (каолин 1), метакаолине полученным под воздействием импульсов ИК (каолин 2), генерируемых одним видом функциональной керамики [2] и метакаолине полученным под воздействием импульсов ИК, генерируемых тремя указанными видами функциональной керамики (каолин 3).
Методика
В качестве сорбентов использовали тонко-помолотые порошки вторичного каолина Ангренского месторождения и метакаолина полученного под воздействием импульсного излучения, генерируемых тремя типами функциональной керамики.
Сорбцию проводили в статических условиях методом ограниченного объема.
В качестве водных фаз использовали дистиллированную воду и сточную воду жидких радиоактивных отходов (ЖРО) института ядерной физики АН РУз.
Солесодержание в водной фазе составляло 4.2 г/л, рН=8.
В качестве радиоактивных индикаторов использовали радионуклиды цезий-134 и ко-бальт-57. Соотношение твердой фазы и водной фазы составляло Т:Ж=1:25. Отделение водной фазы от твердой фазы проводили методом фильтрования с помощью фильтровальной бумаги «синяя лента». Масса сорбентов составляла 1 г. Объем водной фазы 25 мл. Время сорбции составляло 24 час.
Коэффициент распределения й (мл/г) в экспериментах по сорбции рассчитывали по формуле:
й= Ао-Авф/Авф XVвф/тс, где, Ао - активность водной фазы до сорбции; Авф - активность водной фазы после сорбции; Vвф - объём водной фазы, мл; тс - масса сорбента, г.
Процент адсорбции 5, % рассчитывали по формуле:
5= й / й+Vвф/mc, где, й - коэффициент распределения, мл/г; Vвф - объём водной фазы, мл; тс - масса сорбента, г. Полученные результаты Полученные результаты приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Сорбция радионуклида цезий-134 на каолине в зависимости от предварительной ИК обработки
Сорбент Состав водной фазы рН водной фазы Коэффициент распределения, й, мл/г Процент адсорбции, S %
Исходный каолин Сточная вода ЖРО; С.о. = 3,65 г/л 2 109 81
4 118 82
6 189 88
8 173 87
10 191 88
12 126 83
каолин одноим-пульсного воздействия ИК излучения Сточная вода ЖРО; С.о. = 3,65 г/л 2 62 71
4 63 72
6 143 85
8 54 68
10 48 66
12 34 57
каолин трехим-пульсного воздействия ИК излучения Сточная вода ЖРО; С.о. = 3,65 г/л 2 125 83
4 236 90
6 275 92
8 265 91
10 256 91
12 171 87
С.о. - сухой остаток
ЖРО - жидкие радиоактивные отходы ИЯФ АН РУз. Время контакта 24 часа, соотношение V/m=25; где V-объём водной фазы, т- масса сорбента. Дата эксперимента: 2-6 мая 2016 г.
Как следует из приведенных результатов, имеется оптимальное значение рН для каждого вида используемого каолина. Так, максимальное извлечение цезия для исходного каолина (каолин 1) наблюдается при рН 5-10, для каолина 2 рН 2-6, а для каолина 3 рН 4-10. Объяснение этого явления будет дано в последующих публикациях.
Наиболее полное извлечение цезия получено при использовании каолина 3.
Это объясняется формированием наноструктуры оптимальной для сорбции ионов цезия.
В таблице 2 приведены сравнительные результаты по извлечению Цезия-134 и Кобаль-та-57 каолином 1 и каолином 3.
Таблица 2.
Сорбция радионуклидов цезия и кобальта на каолине 1 и каолине 3
Сорбент Дистиллированная вода
Цезий-134 Кобальт-57
D, мл/г S, % D, мл/г S, %
Каолин 1 297 92 1602 98,5
Каолин 3 330 93 450 94,7
Как следует из приведенных данных, адсорбция ионов кобальта каолином 1 значительно эффективнее, чем каолином 3. Это указывает на высокую избирательность каолина 3, благодаря сформировавшейся наноструктуре, оптимальной для адсорбции ионов цезия.
Это открывает широкие перспективы для разделения и более полного извлечения различных элементов из сложных растворов и отходов.
Время контакта в 96 часов каолина 3 с жидкими радиоактивными отходами (ЖРО), позволило адсорбировать более 99% цезия.
ВЫВОДЫ:
1. Исходный каолин 1 плохо фильтруется, так как обладает некоторой коллоидальностью. Например, после взаимодействия 1 г каолина с 25 мл водной фазы ионов цезия в течение 24 час, для отделения водной фазы с помощью фильтрования через бумажный фильтр требуется не менее 48 часов.
2. Предварительно обработанный ИК-импульсами каолин 2, фильтруется превосходно и хорошо отделяется от водных фаз. Он хорошо оседает после контактирования с водной фазой и водная фаза от метакаолина легко отделяется с помощью фильтрования через бумажный фильтр в течение 6 часов.
3. Установлено, что каолин 3, фильтруется и сорбирует радионуклиды цезия из реальной сточной воды ЖРО ИЯФ значительно лучше каолина 1 и каолина 2.
Список литературы:
1. Rustam Ch. Rachimov , Mechanismus zur Erzeugung von Infrerotimpulsen mit funktionalen Keramiken. Фрайбергские исследовательские папки. Журнал Горной Академии. Freiberger Forschungshefte, 2014, март, C. 1-13
2. Рахимов Р.Х., Рашидов Х.К., Ермаков В.П., Ра-шидов Ж.Х., Аллабергенов Р.Ж. Ресурсосберегающая, энергоэффективная технология получения глинозема из вторичных каолинов ангренского месторождения computational nanotechnology выпуск №1,2016 (стр. 45-51)
3. Rakhimov Rustam. Патент США № US 6,251,306 B1 дата регистрации 26.06.2001. Infrared radiation emitting ceramic material
