Научная статья на тему 'ОСВЕТЛЕНИЕ И ОБЕСЦВЕЧИВАНИЕ СТЕКЛОМАССЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПОЗИЦИИ НА ОСНОВЕ ОКСИДА ЦЕРИЯ И НИТРАТА НАТРИЯ'

ОСВЕТЛЕНИЕ И ОБЕСЦВЕЧИВАНИЕ СТЕКЛОМАССЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПОЗИЦИИ НА ОСНОВЕ ОКСИДА ЦЕРИЯ И НИТРАТА НАТРИЯ Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

CC BY
187
22
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СТЕКЛОМАССА / ШИХТА / ОСВЕТЛИТЕЛM / СТЕКЛО / ОКИСЛИТЕЛЬ / ОКСИД ЖЕЛЕЗА / НАТРИЕВОЙ СЕЛИТРЫ / ДИОКСИД ЦЕРИЙ

Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Бабаев Забибулла Камилович, Матчонов Шерзад Камилович, Жуманиязов Арслон Ганибек Угли, Кудиярова Кутлигул Карамаддиновна, Шамуратов Муратбек Зийналович

В статье представлена результаты изучения механизма действия неорганических солей на степени осветления и обесцвечивания стекломассы, для получения прозрачного стекла и предложена новая композиция состоящий из оксида церия и нитрата натрия, экспериментами установлена для получение бесцветного и прозрачного стекломассы оптимальным является комплексные применение нитрата натрия и оксидов церия в соотношении CeO2:NaNO3 -1:2.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по промышленным биотехнологиям , автор научной работы — Бабаев Забибулла Камилович, Матчонов Шерзад Камилович, Жуманиязов Арслон Ганибек Угли, Кудиярова Кутлигул Карамаддиновна, Шамуратов Муратбек Зийналович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

CLARIFICATION AND BLEACHING OF MASS GLASS USING COMPOSITION BASED ON CERIUM OXIDE AND SODIUM NITRATE

The article presents the results of a study of the mechanism of action of inorganic salts on the degree of clarification and BLEACHING of glass mass, to obtain transparent glass, and a new composition consisting of cerium oxide and sodium nitrate is proposed; ratio CeO2:NaNO3 -1:2.

Текст научной работы на тему «ОСВЕТЛЕНИЕ И ОБЕСЦВЕЧИВАНИЕ СТЕКЛОМАССЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПОЗИЦИИ НА ОСНОВЕ ОКСИДА ЦЕРИЯ И НИТРАТА НАТРИЯ»

(к UNIVERSUM:

№12(105)_Дй ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ_декабрь. 2022 г.

DOI -10.32743/UniTech.2022.105.12.14742

ОСВЕТЛЕНИЕ И ОБЕСЦВЕЧИВАНИЕ СТЕКЛОМАССЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПОЗИЦИИ НА ОСНОВЕ ОКСИДА ЦЕРИЯ И НИТРАТА НАТРИЯ

Бабаев Забибулла Камилович

д-р техн. наук,

Ургенчский Государственный университет, Республика Узбекистан, г. Ташкент E-mail. bzkm@mail.ru

Матчонов Шерзад Камилович

канд. тех. наук, Ургенчский Государственный университет, Республика Узбекистан, г. Хива E-mail. Mbsh 76@mail. ru

Жуманиязов Арслон Ганибек угли

преподаватель, Ургенчский Государственный университет, Республика Узбекистан, г. Хива E-mail. arslon.jumaniyozov@bk. ru

Кудиярова Кутлигул Карамаддиновна

ассистент,

Каракалпакский Государственный университет, Республика Узбекистан, г. Нукус E-mail: kutlygulkudiarova@gmail.com

Шамуратов Муратбек Зийналович

студент,

Ургенчский Государственный университет, Республика Узбекистан, г. Ургенч E-mail: muratbek.shamuratov77@mail.com

CLARIFICATION AND BLEACHING OF MASS GLASS USING COMPOSITION BASED ON CERIUM OXIDE AND SODIUM NITRATE

Zabibulla Babaev

Prof. Urgench State University, Republic of Uzbekistan, Urgench

Sherzad Matchonov

Candidate of Technical Sciences, Urgench State University, Republic of Uzbekistan, Khiva

Arslon Jumaniyozov

Teacher, Urgench State University, Republic of Uzbekistan, Khiva

Kutligul Kudiyarova

Assistant,

Karakalpak State University, Republic of Uzbekistan, Nukus

Библиографическое описание: ОСВЕТЛЕНИЕ И ОБЕСЦВЕЧИВАНИЕ СТЕКЛОМАССЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПОЗИЦИИ НА ОСНОВЕ ОКСИДА ЦЕРИЯ И НИТРАТА НАТРИЯ // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. Бабаев З.К. [и др.]. 2022. 12(105). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/14742

¿к UNiVERSUM:

№ 12 (1051_¿Д ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ_декабрь. 2022 г.

Muratbek Shamuratov

Student,

Urgench State University, Republic of Uzbekistan, Urgench

АННОТАЦИЯ

В статье представлена результаты изучения механизма действия неорганических солей на степени осветления и обесцвечивания стекломассы, для получения прозрачного стекла и предложена новая композиция состоящий из оксида церия и нитрата натрия, экспериментами установлена для получение бесцветного и прозрачного стекломассы оптимальным является комплексные применение нитрата натрия и оксидов церия в соотношении CeO2:NaNO3 -1:2.

ABSTRACT

The article presents the results of a study of the mechanism of action of inorganic salts on the degree of clarification and BLEACHING of glass mass, to obtain transparent glass, and a new composition consisting of cerium oxide and sodium nitrate is proposed; ratio CeO2:NaNO3 -1:2.

Ключевые слова: стекломасса, шихта, осветлителm, стекло, окислитель, оксид железа, натриевой селитры, диоксид церий.

Keywords: glass mass, charge, clarifier, glass, oxidizing agent, iron oxide, sodium nitrate, cerium oxide.

В мировом масштабе ежегодный спрос и производства листового стекла и на различные стеклоиз-делий увеличивается и становиться весьма актуальным. Важными качественными показателями листового стекла и стеклоизделий является их качественные характеристики, среды которых является прозрачность, определяющие световым тоном стекла, качеством провара, наличием хромофорных оксидов в составе стекла. Основные примеси в стекле, влияющие как на процесс стекловарения так и на качество продукции это красящие примеси железа и хрома, органические примеси, а также добавки стеклобоя, которые следует рассматривать как восстановитель при стекловарении.

Издавна применяемые добавки, так называемые осветлители и обесцвечиватели, компенсирующие действие примесей, в настоящее время заменяются

Количество осветлителя, вводи

новыми более эффективными материалами. Как известно осветлители вводят в шихту для того, чтобы способствовать освобождению стекломассы от видимых пузырей. Действие осветлителей заключается в том, что при нагревании они разлагаются с выделением большого количества газообразных продуктов. Улетучиваясь из стекломассы, они способствуют удалению из нее и других газов (пузырей).

К наиболее широко распространённым осветлителям в производстве стекла относиться азотнокислый, хлористый и сернокислый аммоний, хлористый натрий, сульфат натрия и натриевая селитра. Наиболее эффективные осветлители - аммонийные соли [1,2]. В нижеследующей таблице приведены основные осветлители и их оптимальные количество осветлителей вводимого в стекломассу.

Таблица 1.

в стекломассу, % от массы шихты

№ Наименование осветлителя Количество

1 NH4NO3 2,5

2 NH4Q 2,5

3 (NH4)2SO4 0,5-3,0

4 NaCl 0,5—1

5 Na2SO4 0,5—1

6 NaNO3 1—1,5

К другим важным компонентом на практике стекловарения является обесцвечиватели. Их вводят в стекломассу, чтобы устранить нежелательные сине-зеленые или желто-зеленые оттенки, которые стекломасса приобретает из-за примесей железа в сырьевых материалах.

По данным ряд авторов стекло обесцвечивают химическим и физическим способами [1,3].

Как известно, закисное железо FеО сильнее закрашивает стекло, чем окисное Fe2Oз [4,5]. Интенсивность окраски зависит от общего содержания в

стекле оксидов железа. При производстве многих видов изделий из стекла такая окраска не допускается, поэтому для ее устранения и применяют обесцвечивающие материалы. Сущность химического обесцвечивания стекла состоит в том, чтобы перевести при образовании стекла закисную форму железа в окисную. С этой целью и используют такие сырьевые материалы, которые при нагревании разлагаются с выделением свободного кислорода. Наличие кислорода является непременным условием для успешного протекания основной реакции обесцвечивания:

№ 12 (105)

UNIVERSUM:

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

декабрь, 2022 г.

2FeO + 1/2O2=Fe2Oз

Для химического обесцвечивания используют трехокись мышьяка As2Oз, при нагревании (при сравнительно низкой температуре) поглощает кислород, превращаясь в пятиокись As 2O5. Затем уже при высоких температурах (близких к температурам осветления стекломассы) пятиокись разлагается на трехокись As2Oз с выделением свободного кислорода О2, который и обеспечивает химическое обесцвечивание. Для обесцвечивания стекла As2O3 рекомендуется вводить 0,3 — 0,5% [6,7]. Другим компонентом используемое в процессе обесцвечивания стекла относится натриевая селитра №N03 разлагающаяся с выделением кислорода при температурах 400° С [8]. Так же, на практике стекловарение используется для химического обесцвечивания сульфат натрия Na2SO4, которые разлагается при высоких температурах с частичным выделением кислорода.

Другим способом обесцвечивания является физический способ, сущность которого состоит в том, что в стекломассу вводят вещества (обесцвечиватели), которые окрашивают стекло, в цвет, дополнительный к существующему, как бы накладывают один цвет на другой. Цвета подбирают таким образом, чтобы уменьшить интенсивность окраски стекла. Однако хотя интенсивность окраски при этом уменьшается, в то же время понижается общая светопро-зрачность. В качестве обесцвечивателей используют соединения марганца, селена, кобальта, никеля и редкоземельных элементов. Окись марганца Mn2Oз придает стеклу фиолетовый цвет, который дополняет желтую окраску стекла от действия окиси железа. Элементарный селен Se применяют в виде металлического селена или селенисто-натриевой соли Na2SeOз. В качестве обесцвечивателя он сообщает стеклу большую прозрачность, чем другие окислители. Особенно эффективно его применение совместно с окисью кобальта.

Закись никеля №0 придает стеклу дополнительный бледно-фиолетовый цвет, используют ее в основном при производстве калиевых и свинцовых стекол. Окись кобальта СоО придает стеклу дополнительный синий цвет. Ее чаще используют совместно, с закисью никеля и селеном.

Двуокись церия Се02, окись неодима Nd2Oз, окись празеодима Pr2Oз — редкоземельные материалы, которые наиболее часто используют для обесцвечивания. В последние годы в зарубежной практике стали рекламировать новый реагент для обесцвечивания стекла содержащий двуокись церия СеО 2, которые при высокой температуре разлагается с выделением кислорода:

2 CeO2 = Ce2Oз+ 1/2 O2.

В производстве тарного стекла, где в марках стекол допустимые примеси оксидов железа не более 0,1%, используется новая добавка в приделах от 30 до 60 гр, в свое очередь удорожает себестоимость 1т. шихты на 0,8-1,0 доллар США. Но если рассмотреть составы шихт, применяемое сырье, состав, качество

и количество вводимого стеклобоя, а также процесс стекловарения на различных тарных заводах, стремящихся быть конкурентоспособными, то упорядочив состав сырья и стеклобой, можно не только компенсировать это удорожание, но и получить значительный экономический эффект. Прямая экономия при использовании диоксида церия за счет сокращения селена в 5-10 раз, а оксида кобальта вплоть до полного исключения [9].

Применение диоксида церия решает одновременно несколько задач, первой из которых является стабилизация разновалентных железа и селена, а значит стабилизация цветового оттенка. Следует посчитать снижение расхода топлива для поддержания заданных придонных температур, которые повышаются за счет повышения теплопрозрачности стекломассы.

Следует учесть, что цена на диоксид церия в связи с расширением круга заводов, применяющих новый компонент, снизилась с 9-10 до 6-6,5 долларов /кг. Выполненные нами расчеты по ряду заводов за счет оптимизации состава шихты без изменения общего состава стекла при введении диоксида церия показывают экономию в 1300 -1500 млн. сум в год. Цветовой оттенок и светопропускание продукции стабильное и отвечает повышенным требованиям потребителя в том числе по светозащитным свойствам, что подтверждено инструментально по спектральным кривым.

Если использовать сырьевые материалы, содержащие примеси железа в количествах, не превышающих определённую норму, то достигнуть положительных результатов не представит затруднений. Но этот путь экономически оправдан только для варки стёкол в небольших печах для производства дорогих изделий. В массовом производстве стеклотары целесообразно использовать недорогие сырьевые материалы с большим содержанием примесей железа. Так как интенсивность окрашивания стекла ионами трёхвалентного железа в 10 раз ниже, чем ионами двухвалентного железа, то в процессе стекловарения нужно принять меры для перевода железа из двухвалентной формы в трехвалентную, в соответствии с реакцией:

4FeO + О2 <=>2 Fе2Oз

(1)

Считается нормальным, когда в сваренной стекломассе достигнуто отношение:

Fе2Oз:FeO = 40:1

(2)

При этом стекло приобретает жёлтый оттенок, который нейтрализуется при помощи физических обесцвечивателей, вводимых в шихту (селен, окись кобальта). Источниками кислорода для этого процесса являются окислительная атмосфера в печи (а=1,25^4,35) и окислительная среда в расплаве.

Конвективных потоков в ванне достаточно, чтобы быть уверенными, что вся стекломасса в процессе продвижения к протоку будет контактировать некоторое время с пламенным пространством,

№ 12 (105)

UNIVERSUM:

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

декабрь, 2022 г.

в результате чего, при наличии достаточного количества кислорода в атмосфере печи, произойдёт частичное окисление содержащегося в расплаве двухвалентного железа согласно процесса (1). Интенсификация процесса (1) вправо достигается введением в шихту натриевой селитры №N03, которая начинает выделять кислород при температуре 400°С и полностью разлагается при температуре 725°С:

4NaNÜ3 = 2Na2O + 2N2 + 5Ü2

(3)

Чтобы достичь намеченной цели, приблизиться к выполнению отношения (2), нужно создать условия для продолжения процесса окисления железа и при более высоких температурах (1400°С), которые имеют место в зонах варки и осветления стекла. Если этого не сделать, то при недостатке кислорода реакция (1) пойдёт в обратном направлении и равновесие между степенями окисления железа сдвинется влево, чему способствует также и само по себе повышение температуры. Количество кислорода в атмосфере печи изменяется в зависимости от влажности воздуха, от атмосферного давление, от содержание азота в природном газе и других обстоятельствах. Принимая во внимание последних факторов необходимо ввести в шихту, дополнительно к натриевой селитре, окислитель, который выделяет свой кислород при более высоких температурах(>725°С).

В практике наиболее часто используют для этого токсичные оксиды мышьяка (As) и сурьмы ^Ь) которые является токсичными компонентами. Нами в условиях ООО «Хоразм шиша идишлари» была апробированы новый высокоэффективный химический обесцвечиватель, который в качестве основного вещества содержит диоксид церия, окисляющее действие которого основано на восстановлении его до оксида церия и выделения свободного кислорода при высоких температурах:

4СеО2 = 2Се2Оз + О2

В лабораторных условиях были составы стекольной шихты для варки подготовлены согласно [10] серия стекол для тарной посуды, содержащие в своем составе как традиционные обесцвечиватели (кобальт и селен), так и новый предлагаемый реагент.

Синтез стекол проводили согласно методике изложенный в [11] в силитовой печи при 1400-1500 оС в течение 6 часов в корундовых тиглях, отлив -в металлический подогретый лист, затем отжиг в муфельной печи. Температура отжига составила 560-570 оС.

Известно, что для обесцвечивания необходимо, чтобы Fe2+ перешел в Fe3+, поскольку 2FeO + 1/2 02 = Бе20з. Для перевода необходимо создать окислительную среду, для этого в шихту добавляются обес-цвечиватели [12, 13]. Обесцвечивание осуществляется при вводе кислородсодержащих композиции состоящей из натриевой селитры №N03 и в различных комбинациях. Первый образец синтезировали в соответствии с химическим составом без обесцвечива-теля. Для выявления роли композиции обесцвечи-вателя составили 2 комопзиции состоящей из натриевой селитры и оксидов церия СеО2(Се02 - 0,20%, №N03 - 1,0%;) (образец № 2) и образец №3 состоящей из Се02 - 1,0%, NN03 - 2,0%. В результате эксперимента выяснилось, что самые бесцветные светопрозрачные стекла получились с комплексной добавкой натриевой селитры и оксида церия при отношений Ce02:NaN0з- 1:2. Измерение светопро-пускания проводилось на спектрофотометре СФ-26 в УФ-области и видимой области [14]. Для обеспечения работы спектрофотометра в широком диапазоне спектра используются 2 фотоэлемента и 2 источника излучения сплошного спектра. Представлены графики (рис.1) с ярко выраженным изменением светопро-пускания в зависимости от добавки обесцвечивателя.

1 - стекло без обесцвечивателя;

2 - стекло с обесцвечивателем содержащий CeO2 - 0,20%, NaNOз - 1,0%;

3 - стекло с обесцвечивателем содержащий CeO2 - 1,0%, NaNOз - 2,0%

Рисунок 1. Спектральная кривая светопропускания опытных образцов стекол

№ 12 (105)

UNIVERSUM:

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

декабрь, 2022 г.

Кривая образца № 1, без добавки обесцвечивате-лей, показывают снижение светопропускания в видимой области начиная с 550 нм. Это говорит о наличии в стекле в значительной степени Fe0. На кривых остальных образцов уже с добавкой диоксида церия

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

и натриевой селитры наблюдается обратное, повышение светопропускания до допустимых значений, соответствующих ГОСТу. Самое высокое пропускание наблюдается у образца № 3 (Се02 - 1 %, NaNOз -2 %).

а) б)

Рисунок 1. Электронно-микроскопический снимок стекол а) состав №1 и б) состав № 3

Важным показателем предложенного инновационного подхода является экономическая оценка использование в промышленных условиях. Из технологической карты СП ООО «Хоразм шиша иди-шлари» на 1000 кг провара стекломассы расходуется

селена Se (6 г на 100 кг стекла) в сочетании с оксидом кобальта Со0 (2 г на 100 кг стекла) и 0,5 кг нитрата натрия.

Таблица 2.

Сравнительная экономическая оценка использование композиции для обесцвечивание и осветление стекольной массы (Тварки=1450ОС, выдержка-40 мин) на 100 кг стекломассы

Наименование компонентов Расход и стоимость 1 кг сырья по традиционной технологии итого Расход и стоимость 1 кг сырья по предложенной технологии итого

г кг/долл. долл г Кг/долл. долл

кобальт 2,0 25,83 0,052

селен 6,0 9,78 0,060

Нитрат натрия 5,0 16,06 0,080 10,00 16,06 0.160

Оксид церия 2,00 2,07 0,0041

итого 0,1923 0.1641

Ожидаемая экономическая выгода составляет 0,0282 доллара на 100 кг стекла. При введении диоксида церия и натриевой селитры рассмотрено изменение спектральных кривых в ультрафиолетовой и видимой частях спектра. Следует отметить, что даже незначительное количество диоксида церия приводит к сдвигу полосы светопропускания в видимую часть спектра. По результатам исследований можно сказать, что полученные образцы не только по внешнему виду, но и по свойствам, вполне соответствуют требованиям, предъявляемым к данным видам стекол. Следовательно, данные сырьевые материалы можно рекомендовать для производства тарного и

сортового стекла. Обесцвечивания стекол с применением диоксида церия показывает технологические, экологические и экономические преимущества для производства стекла.

Таким образом, физико-химическими методами установлены возможности обесцвечивание стекольной массы с помощью новой композиции, обладающей ярко выраженными действиями в приемлемых производственных условиях. Предложенная композиция является доступным и экономический выгодным, что отражается в своё очередь на себестоимости продукции.

№ 12 (105)

UNIVERSUM:

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

декабрь, 2022 г.

Список литературы:

1. В.Е. Маневич., К.Ю. Субботин., В.В. Ефременков. Сырьевые материалы, шихта и стекловарение. -М.: РИФ «Стройматериалы», 2008. С.224.

2. Гулоян Ю.А. Технология стекла и стеклоизделий Владимир: Транзит-Икс, 2008, 736 с.

3. Шелби Дж. Структура, свойства и технология стекла Перевод с английского Е.Ф. Медведева. - М.: Мир, 2006. -

4. Китайгородский И.И. (под ред.) Технология стекла 3-е зд., перераб. - Гос. изд. лит-ры по стр-ву, архитектуре и строит. матер., 1961. - 621 с.

5. Гулоян Ю.А. Физико-химические основы технологии стекла Владимир: Транзит-Икс, 2008, 736 с

6. Кухтин Б.А., Подгорнова Г.А. Методы исследования стекол и стеклообразующих расплавов Учебное пособие. -Владимир, ВлГУ, 2006. - 68 с.

7. Лешина В.А. Сырьевые материалы и шихта в производстве стекла. Учебное пособие в двух частях. - Владимир, ВлГУ, 2005. - 44 с.

8. Маньшина А.А., Михайлов М.Д., Соколов И.А. Химия и физика стекла Учебное пособие. — Санкт-Петербург.: СПбГУ, 2013. — 106 с.

9. Павлушкин Н.М. Химическая технология стекла и ситаллов Москва: Стройиздат, 1983. — 432 с.

10. Павлушкин Н.М., Сентюрин Г.Г., Ходаковская Р.Я. Практикум по технологии стекла и ситаллов Издательство литературы по строительству. Москва. 1970 г. 512 с.

11. Панкова Н.А., Михайленко Н.Ю. Стекольная шихта и практика ее приготовления Учебное пособие. -Москва, РХТУ им.Д.И. Менделеева, 1997. - 80 с.

12. Альбаева И.И. Власова С.Г. - Обесцвечивание стекломассы, синтезированной на основе местного сырья // Стекло и керамика. - 2016. - № 10. - С. 10-14.

13. Панкова Н.А., Исследование механизма процесса осветления стекломассы в промышленных условиях. Дисс....докт. техн. наук. М., 1978. - 404 с.

14. Hrma P., Marcial J. Dissolutin retardetion of solid silica during glass-batch melting // J. NonCryst. Solids. - 2011. -V. 357. - P. 2954 - 2959.

288 с.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.