CC BY
17
DOI: 10.47581/2022/SMTT/2.41.03
УДК 620.3+536.46 РЕЖИМЫ ГОРЕНИЯ ГЕЛЯ НИТРАТА ЦИНКА С РАЗЛИЧНЫМИ ГОРЮЧИМИ ПРИ СИНТЕЗЕ НАНОПОРОШКА ОКСИДА ЦИНКА Новиков Владислав Александрович, к.т.н., доцент (e-mail: [email protected]) Титов Александр Андреевич, студент
(e-mail: [email protected]) Крюков Никита Алексеевич, студент (e-mail: [email protected]) Качкин Егор Максимович, студент (e-mail: [email protected]) Самарский государственный технический университет,
г.Самара, Россия
Представлены результаты исследования видов и характеристик горения гелей при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе (СВС) нанопорошка ZnO из смесей наиболее распространенных реагентов: окислителя нитрата цинка и трех топлив: мочевины, глицина, лимонной кислоты. Рассмотрены два вида процессов СВС: процесс СВС-Р при образования геля из водных растворов смесей реагентов при выкипании воды и процесс СВС-гель при образовании геля из смеси сухих реагентов при их увлажнении из окружающего воздуха за счет гигроскопичности.
Ключевые слова: самораспространяющийся высокотемпературный синтез, ZnO, горение, раствор, гель, нитрат цинка, глицин, лимонная кислота, мочевина.
Введение
Хорошо известна порошковая технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) тугоплавких неорганических соединений, в том числе оксидов, и материалов на их основе, основанная на проведении экзотермической химической реакции взаимодействия исходных порошковых реагентов в форме горения [1-3]. Технология СВС отличается от технологии традиционной порошковой металлургии отсутствием затрат электроэнергии для нагрева до высоких температур, так как используется тепло, выделяемое реакцией горения, процесс СВС протекает в простом малогабаритном оборудовании, при этом реализуются большие скорости процесса. Менее известна технология растворного СВС или СВС-Р, основанная на горении смеси растворенных, чаще всего в воде, реагентов сильно экзотермических окислительно-восстановительных реакций или на горении геля смеси реагентов (СВС-гель), поэтому ее называют также синтезом при горении раствора (Solution Combustion Synthesis - SCS) или синтезом при горении геля (Gel Combustion Synthesis - GCS) [4-6]. Чаще всего
в качестве окислителей используются водорастворимые нитраты металлов, а в качестве восстановителей (топлив) - растворимые в воде органические вещества: мочевина, глицин, лимонная кислота и другие с низкой температурой разложения и невысокой стоимостью. Большое количество выделяемых газообразных побочных продуктов при горении систем СВС-Р и СВС-гель приводит к образованию твердых продуктов в виде пористых спеков высокодисперсных оксидов металлов. В совокупности с энергосбережением и простым оборудованием процессы СВС-Р и СВС-гель привлекательны для создания технологий промышленного производства различных сравнительно недорогих оксидных наноматериалов разнообразного применения.
В последнее время пристальное внимание уделяется нанопорошку оксида цинка 7п0, который проявляет существенную фотокаталитическую активность при разложении органических загрязнителей воды, в том числе такого токсичного загрязнителя воды как фенол, под действием ультрафиолетового излучения и видимого света без образования вторичных токсичных продуктов [7, 8]. Чтобы получить практическое применение, нано-порошок 7п0 должен быть дешевле других фотокатализаторов, поэтому представляют интерес исследования возможности получения 7п0 методами СВС-Р и СВС-гель. Известны некоторые результаты проведения таких исследований, но они недостаточно подробно описывают режимы горения, которые реализуются при использовании методов СВС-Р и СВС-гель, что затрудняет их выбор для обоснованного практического применения [6, 913]. Цель настоящей работы заключается в подробном исследовании видов и характеристик горения при синтезе нанопорошка 7п0 из растворов и гелей наиболее распространенных реагентов: окислителя нитрата цинка 7п(К03)2 и трех топлив: мочевины С0(КН2)2, глицина С2Н5К02, лимонной кислоты С6Н807.
Методика исследований
Уравнения реакций синтеза 7п0 с использованием выбранных реагентов составляются из расчета окислительных и восстановительных валентностей реагентов и имеют следующий вид [5, 13, 14]:
7п(К0з)2+||фС0(КН2)2+;|(ф-1)02=7п0+^^^фН20+|фС02+(;|ф+1)К2, (1) 7п(Шз)2+^ фС2Н5Ш2+!(ф-1)02=7п0+ " фН20+^фС02+(|ф+1)К2, (2)
7п(Шз)2+; фСбН807+|(ф-1)02=/п0+ ^ фН20+^фС02+К2. (3)
В этих уравнениях безразмерный критерий ф характеризует соотношение топлива и окислителя. Он показывает, что при ф < 1 из смеси реагентов выделяется избыточный кислород, а при ф > 1, наоборот, потребляется недостающий для полного окисления элементов кислород из окружающей газовой среды, и величина ф во многом определяет режим горения. В настоящей работе приводятся результаты экспериментального исследования
видов и характеристик горения при изменении значений критерия ф в диапазоне 0,25<ф<3 с шагом 0,25. Используется как метод СВС-Р с проведением синтеза из смеси водных растворов реагентов, так и метод СВС-гель при смешивании сухих реагентов, сопровождаемом их самопроизвольным увлажнением из окружающего воздуха за счет гигроскопичности и образованием геля.
Нагрев смесей проводился в металлическом сосуде с плоским дном на электрической плитке мощностью 1 кВт с использованием трех возможных режимов нагрева, обеспечивающих средние температуры контактной металлической поверхности электрической плитки Тп = 150, 500 и 850 оС. При исследовании метода СВС-Р использовались для нагрева четыре возможные объема насыщенных водных растворов смесей реагентов V = 25, 50 75 и 100 мл, имеющие соответственно толщины И = 6,5, 11, 14 и 18 мм по высоте плоского слоя раствора. При исследовании метода СВС-гель использовались массы смесей сухих реагентов, соответствующие массам смесей реагентов в насыщенном водном растворе объемом 25 мл при соответствующем значении ф. Нагрев раствора или геля приводил к самопроизвольному началу химической реакции с интенсивным тепло- и газовыделением (самовоспламенению), завершающимся горением различного вида: 1) беспламенным горением без образования светящихся зон, 2) тлением с образованием очаговых и фронтальных светящихся зон, 3) объемным горением с образованием пламени, 4) очень быстрым, с образованием пламени, взрывным горением. Наряду с установлением вида горения определялись такие характеристики горения как: 1) время задержки начала горения (воспламенения) 1в от начала нагрева, 2) длительность горения 1;г, 3) коэффициент сохранения массы продукта Км как отношения массы продукта горения, оставшегося в реакционном сосуде после проведения эксперимента, к теоретической массе продукта, рассчитанной по уравнению реакции. При использовании разных топлив находились зависимости видов и характеристик горения от величины критерия ф, объема (толщины слоя) раствора смесей реагентов, скорости нагрева раствора (температуры контактной поверхности электрической плитки).
Результаты исследования растворного СВС и их обсуждение
В случае процесса растворного СВС сначала идет сравнительно медленный нагрев раствора от начальной температуры до температуры кипения и последующего выкипания основного количества воды, в результате которого образуется вязкая смесь реагентов (гель). Затем температура геля быстро увеличивается за счет самопроизвольного начала химической реакции с интенсивным тепло- и газовыделением, которая приводит к указанным выше четырем различным видам горения. Первые три вида горения оставляют после себя в сосуде рыхлый или плотный спек твердых продуктов горения, а в четвертом случае взрывное горение приводит к выбросу из сосуда реагирующей смеси и продуктов горения, так что в сосуде практиче-
ски ничего не остается. Отметим, что чистый 7п0 должен иметь белый цвет. Типичные картины реализации процесса СВС-Р при различных видах горения представлены ниже.
На рисунке 1 показано беспламенное горение без образования светящихся зон. На рисунке (а) реакция синтеза начинается с выделения из
(в) завершение синтеза (пламени нет)
Рисунок 1. Беспламенное горение геля раствора нитрата цинка с мочевиной (ф=1, И=6,5 мм, Тп=850 оС, 1;в=9,1 мин, 1:г=2,5 мин, Км=1,0)
геля газообразных продуктов серого цвета, на рисунке (б) увеличивается интенсивность выделения газообразных продуктов с появлением обильного бурого цвета, характерного для составов с мочевиной, на рисунке (в) за-
печатлена наиболее интенсивная завершающая стадия синтеза. Твердый продукт синтеза полностью остался в сосуде в виде спекшегося порошка салатового цвета массой 4,6 грамма.
На рисунке 2 показано горение в виде тления с образованием
%
Ж1
ДО-ЧДГ ч
/
Ш
(в) продолжение тления (г) завершение тления
Рисунок 2. Тление геля раствора нитрата цинка с лимонной кислотой (ф=1, И=6,5 мм, Тп=850 оС, 1в=10 мин, 1г=5 мин, Км=0,85)
очаговых и фронтальных светящихся зон. На рисунке (а) реакция начинается с появления геля, который в дальнейшем на рисунке (б) начинает тлеть, на рисунке (в) видны очаговые и фронтальные светящиеся зоны, вы-
деляется густой серый дым с неприятным запахом. На рисунке (г) видно затухание тех самых зон, обозначающее конец синтеза. Конечный продукт высокопористый, летучий, светло-серого цвета массой 4,57 гр.
На рисунке 3 показано объемное горение с желтым пламенем, длившееся 3 секунд с образованием белого дыма из выбрасываемых из сосуда мелких частиц порошка ZnO. После завершения горения в сосуде оказались прилипшие ко дну остатки порошка желто-белого цвета.
Рисунок 3. Объемное с пламенем горение геля раствора нитрата цинка с глицином (ф=1,25, h=6,5 мм, Тп=850 оС, ^=3,6 мин, ^=3 с, Км=0,19)
На рис. 4 показано очень быстрое взрывное горение с образованием пламени. На рисунке (а) реакция начинается с появления геля, в котором через 18 мин после начала нагрева зарождается вспышка (б), сопровождаемая резким выбросом длительностью менее 2 секунд столба пламени желтого цвета и большого объема белого густого дыма (в) и (г), состоящего из мелких частиц выбрасываемого порошка ZnO и заполняющего весь объем вытяжного шкафа, в котором проводился синтез. На внутренней стенке сосуда осталась в виде тонкого слоя малая часть порошка цвета топленого молока массой 0,8 г.
Вид горения наиболее сильно зависит от вида горючего и значения критерия ф, и в первую очередь сказывается на величине коэффициента Км
(в) вид вспышки вблизи (белое пятно) (г) вид вспышки вдали
Рисунок 4. Взрывное горение геля раствора нитрата цинка с глицином (ф=1,0, И=11 мм, Тп=850 оС, 1в= 18 мин, 1г<2 с, Км<0,1)
сохранения в сосуде массы синтезированного продукта, что можно видеть на рисунках 5-7 зависимости Км(ф) при использовании растворов нитрата цинка с глицином, лимонной кислотой и мочевиной. Эти зависимости и представленные ниже зависимости времени задержки воспламенения 1;в(ф) и времени горения 1;г(ф) получены при И=6,5 мм, Тп=850 оС в результате трех опытов для каждого значения критерия ф. Цифры при линиях пере-
численных зависимостей, в том числе зависимости Км(ф), обозначают номера опытов.
Рисунок 5. Зависимость Км(ф) для раствора с глицином
Рисунок 6. Зависимость Км(ф) для раствора с лимонной кислотой
5
18
1.5
т
I 12 01
I
сч
В 4в
■■■
£ Ф
|ое &
&
| аз
оо
л*
,16
г
Соотношение окислитель-восстановитель, ф Рисунок 7. Зависимость Км(ф) для раствора с мочевиной
Видно, что полученные значения Км в трех опытах для одного и того же значения критерия ф могут значительно отличаться между собой, то есть обладают большим разбросом. Аналогичный разброс будет наблюдаться и для величин 1в(ф) и 11г(ф). Такой разброс обусловлен стохастической природой самопроизвольного воспламенения при медленном нагреве раствора, а затем и геля смеси реагентов. Тем не менее, из рисунка 5 можно сделать вывод, что в случае глицина в диапазоне значений ф от 0,5 до 1,5 реализуется взрывное горение с пламенем и практически полным выбросом продукта синтеза молочного цвета из сосуда. При ф<0,5 должен быть другой вид горения, и эксперимент показывает, что при ф=0,25 происходит бурное беспламенное выделение рыжего дыма в течение 2-5 секунд (рисунок 8) с частичным выбросом продукта. В сосуде остается 3,5-6,27 г рыхлого спека порошка светло-салатового цвета. При ф>1,5 вид горения и продукта опять меняются. Происходит переход к синтезу в режиме все более медленного тления (рисунки 8 и 9) при увеличении ф, цвет рыхлого продукта меняется от серого с примесью белого до черного с примесью белого, и целиком черного при ф=2,5 и более, а коэффициент сохранения массы продукта Км при ф>2 даже становится больше единицы (рисунок 5).
15.
Рисунок 8. Зависимость 1:г(ф) для раствора с глицином до ф=2
Рисунок 9. Зависимость 1;г(ф) для раствора с глицином до ф=3
Рисунок 10. Зависимость tr(cp) для раствора с лимонной кислотой
Рисунок 11. Зависимость ^(ф) для раствора с мочевиной
Такие изменения цвета и массы продукта объясняются тем, что при ф>1,5 смесь реагентов становится топливо-богатой и ей не хватает внутреннего кислорода в смеси и внешнего кислорода из окружающего воздуха для полного окисления углерода в топливе. Продукт горения наряду с белым ZnO содержит все больше черного свободного углерода и при ф>2 становится черным по цвету, а его масса достигает 2,8 г, становится боль-
ше теоретического выхода 7и0, в связи с чем коэффициент Км становится больше единицы.
В случае другого топлива - лимонной кислоты наблюдаются другие закономерности горения (рисунки 2, 6 и 10). При изменении ф вид горения
не меняется - это тление, которое становится все более длительным при увеличении ф и достигает 9,5-21 мин при ф=3. Характерной особенностью является образование из геля пены, которая увеличивается в объеме и выходит за пределы сосуда, застывает в виде высокопористой легко разрушимой массы из очень мелкого порошка. Цвет такого продукта изменяется от светло-салатового при ф=0,25-0,5 до белого с черными включениями при ф=0,75-1,25, серого при ф=1,5-1,75, коричневого и черного при ф=2-3. Такое изменение цвета объясняется недостатком кислорода для полного окисления углерода в составе топлива, особенно при больших ф, что приводит к присутствию черного свободного углерода в продукте горения. Если во время тления такой продукт перемешивать или вдувать в него воздух, то продукт светлеет, становится светло-салатовым и даже белым. Тление сопровождается обильным выделением дыма, который имеет бурый цвет при ф<1 и ф>2, белый цвет при ф=1,5-1,75 и серый цвет при остальных значениях ф.
В случае третьего топлива - мочевины (рисунки 1, 7 и 11) реакция идет в виде непродолжительного интенсивного беспламенного горения, длительность которого уменьшается с 4 до 1 мин при увеличении ф. Реакция сопровождается выделением бурого дыма при ф=1 и менее, но при ф>1 сначала выделяется белый дым, а потом бурый. Продукт получается в виде порошка салатового цвета, спекшегося и трудно извлекаемого из сосуда при ф<2,5 и не спекшегося и легко извлекаемого при ф>2,5.
На рисунках 12-14 представлены зависимости времен задержки воспламенения 1;в от начала нагрева до начала реакции горения при использовании различных горючих. Видно, что эти времена слабо зависят от величины критерия ф и вида горючего, составляя в среднем 8 мин для глицина и по 10 мин для лимонной кислоты и мочевины. Объясняется это тем, что время воспламенения 11в состоит из времени нагрева раствора до кипения воды, времени ее практически полного выкипания и образования геля, способного к самовоспламенению. Для всех значений критерия ф составляющие времени 1;в практически одинаковы. Они одинаковы и для таких топлив как лимонная кислота и мочевина, и только в случае более активного топлива глицин время образования геля, способного к самовоспламенению, получается на две минуты меньше. Напомним, что эти зависимости получены при И=6,5 мм, Тп=850 оС в результате трех опытов для каждого значения критерия ф. В таблице 1 представлены усредненные для трех опытов значения времен задержки воспламенения 1;в и горения 1 для растворов смеси реагентов различного объема 25, 50, 75 и 100 мл в сосуде, имеющих соответственно толщины слоя 6,5, 11, 14 и 18 мм при Тп=850 оС и ф=1.
Соотношение окислитель-восстановитель, <р Рисунок 12. Зависимость 1в(ср) для раствора с глицином
Соотношение окислитель-восстановитель, 1р
Рисунок 13. Зависимость 1;в(ф) для раствора с лимонной кислотой
Видно, как увеличиваются времена воспламенения 1;в и горения 1;г с увеличением толщины слоя раствора для различных топлив. Это вполне объяснимо увеличением времени нагрева, выкипания воды и образования геля большей массы с большим временем сгорания. При этом вид горения геля раствора для каждого топлива практически не изменяется при изменении толщины слоя, изменяются только временные характеристики горения.
(Отметим, что в случае глицина не проводились опыты с большими объемами раствора из-за взрывного характера горения.)
30
25
20
г
Т5
3
г 15
ш о_ т
10
о* о76
г
16
Соотношение окислитель-восстановитель. (р Рисунок 14. Зависимость 1в(ф) для раствора с мочевиной
Таблица 1. Временные характеристики горения гелей растворов
Толщина слоя раствора, мм 6,5 11 14 18
Времена, мин (сек) 1в 1г 1в 1г 1в 1г 1в 1г
Глицин 7,0 (1,5) 16,8 (2,8) - - - -
Лимонная кислота 13,1 4,9 18,1 7,0 24,8 7,9 27,9 10,1
Мочевина 9,4 2,3 21,4 3,2 29,4 7,0 48,5 5,5
Таблица 2. Временные характеристики горения гелей рас При нагреве поверхностью электрической плитки с разл температурой для различных топлив (И=6,5 мм, ф= творов ичной )
Температура поверхности электрической плитки Тп, оС 150 500 850
Времена, мин (сек) 1в 1г 1в 1г 1в 1г
Глицин 32,5 (0,8) 11,4 (0,8) 6,9 (1,5)
Лимонная кислота 25,8 16,2 18,2 10,6 13,3 4,9
Мочевина Не горит 25,2 2,3 8,9 1,6
п
В таблице 2 представлены усредненные для трех опытов значения времен задержки воспламенения 1в и горения 1г для растворов смеси реагентов
с различными топливами при И=6,5 мм, ф=1 и различных средних температурах контактной металлической поверхности электрической плитки Тп = 150, 500 и 850 оС. Видно, что при низкой температуре нагревающей поверхности 150 оС время задержки воспламенения 1;в является очень большим, или горение вообще не происходит как в случае использования мочевины. В последнем случае нагрев проводился 1,5 часа, вода выпарилась и образовался гель, который высох и превратился в ксерогель кремового цвета плотной структуры на дне сосуда, признаков реакции не было. В случаях наличия горения вид горения и синтезированного порошка практически не зависел от температуры нагревающей поверхности, от нее существенно зависели временные характеристики горения.
Результаты исследования процесса СВС-гель и их обсуждение
При исследовании этого процесса берутся сухие порошки компонентов - нитрата цинка и одного из топлив: глицина, лимонной кислоты или мочевины, взвешиваются и смешиваются вручную в ступке до визуально однородного состояния. Во время смешивания смесь порошков насыщается влагой из воздуха за счет гигроскопичности с образованием геля, который помещается в металлический сосуд с плоским дном для нагрева на электрической плитке. Во время нагрева в геле наблюдается конвективное перемешивание вязкой жидкости геля и через время задержки воспламенения 1 в самопроизвольно начинается реакция горения, длительность которой определяет время горения 1;г. Исследуется зависимость вида горения, этих временных характеристик горения и коэффициента сохранения массы продукта в сосуде Км от критерия ф.
1 50
* 1.25
I
= 1.00
5:
I
®
|0.75
о
и
I050
х
#
3 0.25
£
0.00
Рисунок 15. Зависимость Км(ф) для геля сухой смеси с глицином
г
Соотношение окислитель-восстановитель, <р
10
ш и
к
ш о. (В
-1
/ д \
/ __ Ч ^ N 2
и" Г г
\\ ч \\ ч \\ 1 ........ / Уи"\ /
/ \ /
Соотношение окислитель-восстановитель, ф
Рисунок 16. Зависимость 1:г(ф) для геля сухой смеси с глицином до ф=2
4
г1 Ь
Соотношение окислитель-восстановитель, 1р Рисунок 17. Зависимость 1;г(ф) для геля сухой смеси с глицином до ф=3
Некоторые результаты исследований горения геля сухих смесей нитрата цинка с различными горючими при И=6,5 мм, Тп=850 оС представлены на рисунках 15-20.
Рисунки 15-17 для горения геля сухих смесей с глицином близки к рисункам 5, 8 и 9 аналогичных зависимостей для горения геля раствора с глицином и свидетельствуют о взрывном виде горения в диапазоне ф=0,25-1,25 с резким выбросом бурого дыма и остатками белого порошка в сосу-
де. При ф>1,25 реакция проходит в виде тления с искрами и сохранением в сосуде значительной части легко разрушимого спека продукта салатового цвета, который переходит в пепельный, а затем и черный цвет при приближении к ф=3. Но время задержки начала горения геля сухих смесей с глицином 0,5-4 мин (рисунок 18) значительно меньше, чем 8 мин задержки горения геля раствора с глицином (рисунок 12).
Соотношение окислитель-восстановитель, ф
Рисунок 18. Зависимость 1:в(ф) для геля сухой смеси с глицином
Так же намного раньше начинается реакция СВС-гель (рисунок 21, 1;в~3 мин при ф<2) по сравнению с реакцией СВС-Р (рисунок 13, 1;в~10 мин) при использовании лимонной кислоты. Реакция СВС-гель протекает значительно более активно в виде тления, бурного беспламенного кипения или горения с пламенем с большим разбросом характеристик горения и с выбросом из сосуда более половины синтезированного продукта (рисунки 19 и 20, Км~0,4 при ф<2), в то время как в случае СВС-Р разброс значений 1;г был заметно меньше, а коэффициент сохранения массы продукта значительно больше (рисунки 6 и 9, Км~0,9). В случаях сохранения продукта в сосуде он, как и в процессе СВС-Р, представляет собой высокопористую легко разрушимую массу светлого салатного цвета при ф<0,75 и темного серого или коричневого цвета при ф>1,75.
Рисунок 19. Зависимость Км(ср) для геля сухой смеси с лимонной кислотой
Рисунок 20. Зависимость 1;г(ф) для геля сухой смеси с лимонной кислотой
ю
Соотношение окислитель-восстановитель. <р
Рисунок 21. Зависимость ^(ф) для геля сухой смеси с лимонной кислотой
Соотношение окислитель-восстановитель, ср
Рисунок 22. Зависимость Км(ф) для геля сухой смеси с мочевиной
Соотношение окислитель-восстановитель. <р
Рисунок 23. Зависимость 1:г(ф) для геля сухой смеси с мочевиной до ф=1.5 40
............. 2 - ................ 1
. ,*■■■(..... з ........ ................. у V,
$.............. ........ """¡и, у*
л/
г'
г&
Соотношение окислитель-восстановитель, гр Рисунок 24. Зависимость 1;г(ф) для геля сухой смеси с мочевиной (ф=1.75-3)
Соотношение окислитель-восстановитель, ф
Рисунок 25. Зависимость 1в(ф) для геля сухой смеси с мочевиной
Аналогично быстро начинается и бурно протекает реакция СВС-гель в виде беспламенного горения при использовании мочевины в качестве топлива (рисунки 22-25). При ф>2 в сосуде почти целиком сохраняется легко разрушимый продукт салатного цвета.
Заключение
Полученные результаты исследований подробно описывают виды и характеристики горения гелей при синтезе нанопорошка 7и0 из смесей наиболее распространенных реагентов: окислителя нитрата цинка и трех топ-лив: мочевины, глицина, лимонной кислоты. Рассмотрены два вида процессов СВС: процесс СВС-Р при образования геля из водных растворов смесей реагентов при выкипании воды и процесс СВС-гель при образовании геля из смеси сухих реагентов при их увлажнении из окружающего воздуха за счет гигроскопичности. Показано, что процесс СВС-гель проходит более быстро и активно. Полученные результаты позволяют выбрать безопасные режимы горения с синтезом высокопористого легко разрушаемого продукта, состоящего из мелких частиц 7и0. Но практически во всех рассмотренных случаях синтезируется не чистый 7и0 белого цвета, а 7и0 различных цветов с примесями. Для удаления примесей, в первую очередь, свободного углерода, и получения чистого 7и0 требуется прокалка продуктов СВС в атмосфере воздуха при температуре 500-750 оС [6, 15]. Авторы статьи проводят дальнейшие исследования состава и структуры синтезированных продуктов горения, их изменения при прокалке, фотокаталитической активности при разложении фенола.
Работа выполнена при финансировании Российским научным фондом за счет средств гранта 22-29-00287.
Список литературы
1. Амосов А.П., Боровинская И.П., Мержанов А.Г. Порошковая технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза материалов: Учебное пособие для вузов. М.: Машиностроение-1, 2007. 567 с.
2. Рогачев А.С., Мукасьян А.С. Горение для синтеза материалов. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2012.
3. Levashov E.A., Mukasyan A.S., Rogachev A.S., Shtansky D.V. Self-propagating high-temperature synthesis of advanced materials and coatings // International Materials Reviews. 2016. DOI: 10.1080/09506608.2016.1243291.
4. Patil K.C., Hegde M.S., Rattan T.; Aruna S.T. Chemistry of Nanocrystalline Oxide Materials. Combustion Synthesis, Properties and Applications. Singapore: World Scientific, 2008.
5. Varma A., Mukasyan A., Rogachev A., Manukyan K. Solution combustion synthesis of nanoscale materials // Chemical Reviews. 2016. Vol. 116. No. 3. P. 14493-14586.
6. Riahi-Noori N., Sarraf-Mamoory R., Alizadeh P. Synthesis of ZnO nano powder by a gel combustion method // Journal of Ceramic Processing Research. 2008. Vol. 9. No. 3. P. 246-249.
7. Ong Ch.B., Ng L.Yo., Mohammad A.W. A review of ZnO nanoparticles as solar photocatalysts: Synthesis, mechanisms and applications // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2018. Vol. 81. P. 536-551.
8. Викарчук А.А., Соснин И.М., Степанов С.В., Степанов А.С. Нанотехнология глубокой очистки сточных вод аэропортов от токсических загрязнений, материалы и оборудование для ее реализации // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. 2018. №12. С. 18-23.
9. Hwang Ch.-Ch., Wu Ts.Yu. Synthesis and characterization of nanocrystalline ZnO powders by a novel combustion synthesis method // Materials Science and Engineering B. 2004. Vol. 111. P. 197-206.
10. Zhou J., Wang Ya., Zhao F., Wang Yi., Zhang Ya., Yang L. Photoluminescence of ZnO nanoparticles prepared by a novel gel-template combustion process // Journal of Luminescence. 2006. Vol. 119-120. P. 248-252.
11. Srinatha N., Kumar V.D., Nair K.G.M., Angadi B. The effect of fuel and fuel-oxidizer combinations on ZnO nanoparticles synthesized by solution combustion technique // Advanced Powder Technology. 2015. Vol. 26. P. 1355-1363.
12. Bolaghi Z.K., Hasheminiasari M., Masoudpanah S.M. Solution combustion synthesis of ZnO powders using mixture of fuels I closed system // Ceramics International. 2018. Vol. 44. P. 12684-12690.
13. Моисеев Н.В., Новиков В.А., Амосов А.П. Влияние содержания горючего в исходной реакционной смеси на структуру порошков катализатора на основе оксида цинка ZnO, полученного методом растворного СВС // XVII Всероссийская с международным участием школа - семинар по структурной макрокинетике для молодых ученых имени академика А.Г. Мержанова: Сборник научных материалов (16-18 октября 2019г., Черноголовка). Черноголовка: ИСМАН, 2019. С. 94-96.
14. Jain S.R., Adiga K.C., Pai Verneker V.R. A new approach to thermochemical calculations of condensed fuel-oxidizer mixtures // Combustion and Flame. 1981. Vol. 40. P. 71-79.
15. Zak A.K., Abrishami M.E., Majid W.H.A., Yousefi R., Hosseini S.M. Effects of annealing temperature on some structural and optical properties of ZnO nanoparticles prepared by a modified sol-gel combustion method // Ceramics International. 2011. Vol. 37. P. 393398.
Novikov Vladislav Aleksandrovich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor
(e-mail: [email protected])
Titov Alersandr Andreevich, student
(e-mail: [email protected])
Kachkin Egor Maksimovich, student
(e-mail: [email protected])
Kryukov Nikita Alekseevich, student
(e-mail: [email protected])
Samara State Technical University, Samara, Russia
COMBUSTION MODES OF GEL OF ZINC NITRATE WITH VARIOUS FUELS IN THE SYNTHESIS OF ZINC OXIDE NANOPOWDERS
Abstract. The results of the study of the types and characteristics of the combustion of gels during the self-propagating high-temperature synthesis (SHS) of ZnO nanopowder from mixtures of the most common reagents: zinc nitrate oxidizer and three fuels: urea, glycine, citric acid are presented. Two types of SHS processes are considered: the SHS-S process when gel is formed from aqueous solutions of reagent mixtures during boiling of water and the SHS-gel process when gel is formed from a mixture of dry reagents when they are moistened from the ambient air due to hygroscopicity.
Keywords: self-propagating high-temperature synthesis, ZnO, combustion, solution, gel, zinc nitrate, glycine, citric acid, urea.
