CC BY
190
Sidorov Nikolay Vasilyevich,
Dr.Sc. (Physics and Mathematics), I.V.Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, sidorov@chemy.kolasc.net.ru Biryukova Irina Viktorovna,
PhD (Engineering), I.V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, Granatira@mail.ru Efremov Iliay Nikolaevich,
I.V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, efremov_in@chemy.kolasc.net.ru Makarova Olga Victorovna,
PhD (Engineering), I.V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS Apatity, Russia, makarova@chemy.kolasc.net.ru Scherbina Olga Borisovna,
PhD (Engineering), I.V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, shcerbina@chemy.kolasc.net.ru Teplyakova Natalya Alexandrovna,
PhD (Physics and Mathematics), I.V.Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, tepl_na@chemy.kolasc.net.ru
УДК 66.011:546.28
СОВРЕМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ ПЕРЕРАБОТКИ СЫРЬЯ
ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СИЛИКАТОВ КАЛЬЦИЯ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
А.И. Холь кин, Л.В. Акатьева
Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Москва, Россия
Аннотация
Для процессов переработки минерального, техногенного и другого сырья и создания неорганических и композиционных материалов предложена семизвенная формула взаимосвязи отдельных стадий и характеристик исходных, промежуточных и конечных продуктов: «сырье - технология - состав - структура - дисперсность -свойство - применение». На основе предложенной методики проведен анализ результатов цикла исследований по переработке кальций и кремний содержащего сырья. Рассмотрены различные варианты технологических схем в зависимости от свойств сырья; процессы получения гидросиликатов кальция и волластонита, свойства которых зависят от их структуры; влияние дисперсности материалов на их физические свойства, а следовательно, на области применения в качестве функциональных или конструкционных материалов. Получены эффективные сорбенты, твердые экстрагенты, органоминеральные и керамические пигменты на основе синтетических силикатов кальция и другие материалы.
Ключевые слова:
минеральное сырье, синтетические силикаты кальция, нанопорошки, волокнистая структура, семизвенная формула, прямая и обратная исследовательские задачи, органо-минеральные пигменты, экстракционнопиролитический метод, композиционные керамические пигменты, гибридные люминофоры, база данных, компьютерное моделирование, веб-приложение.
MODERN RAW MATERIAL RECYCLING PROCESSES FOR CALCIUM SILICATE AND COMPOSITE MATERIALS PRODUCTION
A.I. Kholkin, L.V. Akatieva
Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of the RAS, Moscow, Russia Abstract
For processing of mineral, technogeneous and other materials, as well as for inorganic and compositional materials production, the seven-links formula of interaction of different stages and raw materials, intermediate and finished products properties was suggested: “raw materials - techniques - composition - structure - dispersion - property - application”. The analysis of the results achieved through a number of research works on the processing of calcium and silicon containing materials, as well as industrial wastes and minable natural materials to check the possibility of the production of higher priced
37
products of the method in question has been made on the basis of the method. There has been considered different variants of technological schemes depending on properties of raw materials; production of calcium hydrosilicates and wollastonite which are dependant on their structure for properties; the influence of materials dispersion on their physical properties, and, therefore, on the application area to serve as functional and structural materials. On the basis of the synthetic calcium silicate and other materials, effective sorbents, solid leaches, organo-mineral and ceramic pigments have been produced.
Keywords:
mineral raw materials, synthetic calcium silicates, nanopowders, fibrous structure, seven-bar formula, direct and inverse research tasks, organic and mineral pigments, extraction-pyrolytic method, composite ceramic pigments, hybrid phosphors, database, computer modeling, Web application.
Силикаты кальция различного состава и структуры, благодаря своим физико-химическим, технологическим и эксплуатационным свойствам, находят широкое практическое применение [1, 2]. Порошки c длинноволокнистой (игольчатой) структурой частиц эффективно используются как усиливающие наполнители целого ряда конструкционных материалов: наполненных пластмасс, резин смол (полимерные композиционные материалы), строительной керамики, металлокерамики, фрикционных и антифрикционных материалов [1-4]. В ряде случаев, например при получении биокерамики, целесообразно использование ксонотлитовых и волластонитовых нановолокон [3, 5].
Тонкодисперсные порошки нашли широкое применение в качестве основы при исследовании процессов получения функциональных материалов различного назначения: сорбентов, твердых экстрагентов, композиционных керамических и органо-минеральных пигментов, гибридных люминофоров, красок, фармацевтических составов и др. [6-10]. В этом случае основной задачей при выборе сырья и способов получения гидросиликатов и силикатов кальция является повышение дисперсности порошков вплоть до нанометровых размеров.
Процессы получения синтетических силикатов кальция из имеющихся в наличии разнообразных сырьевых источников исследуются в различных организациях нашей страны. Первые исследования в этом направлении были проведены армянскими учеными [11]. Применение современных методов синтеза силикатов кальция, таких как золь-гель процесс, гидротермально-микроволновой синтез, гидротермальные процессы с применением структурирующих веществ и др., позволяет варьировать в широких пределах свойства целевых продуктов и тем самым обеспечивает их соответствие требованиям для конкретного использования. В случае гидротермальных процессов возможно получение гидросиликатов кальция, что существенно расширяет области применения силикатных материалов.
Разработаны технологические процессы получения силикатов кальция (ксонотлита и волластонита) из техногенного сырья (фосфогипса, кремнегеля), природного сырья (диатомита, мела), промышленных продуктов (силикат-глыбы, хлорида кальция), химических реактивов (хлорида, нитрата и ацетата кальция, силиката натрия, тетраэтоксисилана); установлены химико-технологические параметры основных стадий процессов; разработаны принципиальные технологические схемы, предложены способы утилизации отходов. В случае использования водорастворимого сырья разработаны процессы получения нанопорошков гидросиликатов кальция с применением ПАВ, в частности солей четвертичных аммониевых оснований в качестве структурирующих добавок [6]. Показано, что полученные прекурсоры с размером частиц 30-70 нм могут применяться в качестве сорбентов неорганических солей и органических соединений, а также для получения ТВЭКСов, органо-минеральных пигментов, в качестве наполнителей в полировальных пастах, акриловых красках и др. Полученные образцы тонкодисперсных гидросиликатов кальция и волластонита использованы для получения композиционных керамических пигментов, гибридных люминофоров и других материалов. Показана эффективность применения экстракционно-пиролитического метода, обеспечивающего гомогенность и заданный состав целевых продуктов, для получения керамических пигментов и люминесцентных материалов на основе силикатов кальция. В частности, разработаны новые комбинированные способы получения керамических синего алюмокобальтоксидного и белого титанового пигментов на основе наноразмерного мезопористого синтетического ксонотлита [6, 7]. Получены и исследованы композиционные люминесцентные материалы, активированные ионами редкоземельных элементов [8].
Исследован процесс получения силикатов кальция из фосфогипса и силикат-глыбы в реакторе с микроволновым разогревом. Получены образцы с волокнистой структурой и с крупными кристаллитами с соотношением длины к диаметру 200 к 1 и более, которые могут быть использованы в качестве прекурсоров -наполнителей с армирующими свойствами, например, в производстве строительных материалов [3].
В развитие химико-технологических основ процессов совместной переработки различных типов природного и техногенного кальций- и кремнийсодержащего сырья нами сформулированы методологические принципы и получены экспериментальные результаты, позволяющие, с одной стороны, разрабатывать рациональные технологические процессы переработки конкретных видов сырья и определять области применения полученных продуктов, а с другой - осуществлять выбор сырья и технологии переработки для получения материалов с заданными структурой и свойствами. На основе анализа современных методов получения и областей применения силикатов кальция со стехиометрическим соотношением CaO к SiO2, равным 1, была предложена семизвенная формула взаимосвязи отдельных стадий и характеристик исходных, промежуточных и конечных продуктов «сырье - технология - состав - структура - дисперсность - свойство -применение» для процессов переработки минерального и техногенного сырья и получения композиционных материалов различного назначения [1, 12].
38
В качестве прикладного направления использования этой семизвенной формулы как методологической основы процессов переработки сырья и получения неорганических материалов были использованы современные компьютерные технологии для систематизации накопленных сведений, организации быстрого доступа к поиску информации по интересующим вопросам и разработки эффективных процессов получения целевых продуктов с учетом поставленных задач. Впервые была показана возможность применения компьютерного моделирования для создания рациональной технологической схемы переработки кальций- и кремнийсодержащего сырья, создана база данных по получению и применению синтетических силикатов кальция. Для решения задачи формирования структуры технологической схемы получения синтетических силикатов кальция из заранее выбранного сырья или с заранее заданными характеристиками целевого продукта разработано динамическое веб-приложение «Моделирование технологической схемы получения синтетических силикатов кальция» [13] с применением одного из наиболее популярных в настоящее время объектно-ориентированных языков программирования Ruby [14, 15].
Литература
1. Гладун В.Д., Акатьева Л.В., Холькин А.И. Синтетические силикаты кальция. М.: ИРИСБУК, 2011. 232 с.
2. Волластонит (уникальное минеральное сырье многоцелевого назначения) / В.А. Тюльнин, В.Р. Ткач,
B. И. Эйрих, Н.П. Стародубцев. М.: Руда и металлы, 2003. 142 с.
3. Получение силикатов кальция c длинноволокнистой (игольчатой) структурой частиц / Л.В. Акатьева, А.Е. Баранчиков, В.К. Иванов, А.И. Холькин // Химическая технология. 2014. Т. 15, № 11. С. 646-652.
4. Моносиликаты кальция как компоненты композиционных материалов / П.С. Гордиенко, С.Б. Ярусова,
C. Б. Буланова, В.А. Колзунов, А.П. Супонина, К.Н. Галкин // Химическая технология. 2009. Т. 10, № 3. С. 143-149.
5. Lin K.L., Chang J., Lu J. Synthesis of wollastonite nanowires via hydrothermal microemulsion methods // Materials Letters. 2006. Vol. 60. P. 3007-3010.
6. Получение силикатов кальция c длинноволокнистой (игольчатой) структурой частиц / Л.В. Акатьева,
A. Е. Баранчиков, В.К. Иванов, А.И. Холькин // Химическая технология. 2014. Т. 15, № 11. С. 646-652.
7. Получение наноразмерных порошков гидросиликатов кальция для композиционных материалов / Л.В. Акатьева,
B. К. Иванов, В.Д. Гладун, А.И. Холькин // Химическая технология. 2013. Т. 14, № 4. С. 199-209.
8. Пат. 2493185 РФ. Способ получения керамического алюмокобальтоксидного пигмента на основе наноразмерного мезопористого синтетического ксонотлита / Акатьева Л.В., Гладун В.Д., Холькин А.И.; опубл. 20.09.2013.
9. Акатьева Л.В., Козюхин С.А. Люминофоры на основе синтетических силикатов кальция // Химическая технология. 2014. Т. 15, № 7. С. 392-400.
10. Пат. 2213054 РФ. Способ получения тонкодисперсного силиката кальция (варианты), тонкодисперсный силикат кальция (варианты), окрашенная композиция / Гладун В.Д., Холькин А.И., Акатьева Л.В.; опубл. 2003.
11. Григорян Г.О., Мурадян А.Б., Григорян К.Г. Волластонит. Получение и применение // Армянский хим. журнал. 1990. Т. 43, № 5. С. 296-315.
12. Холькин А.И., Гладун В.Д., Акатьева Л.В. Физико-химический анализ как методологическая основа процессов переработки минерального сырья и получения неорганических материалов // Химическая технология. 2011. Т. 12, № 8. С. 449-464.
13. Акатьева Л.В., Калинин В.А. Компьютерное моделирование процессов переработки сырья для получения силикатов кальция и композиционных материалов // Химическая технология. 2014. Т. 15, № 11. С. 691-697.
14. Руби С., Томас Д., Хэнссон Д Гибкая разработка веб-приложений в среде Rails. 4-е изд. СПб.: Питер, 2012. 464 с.
15. Фултон Х. Программирование на языке Ruby. 2-е изд. М.: ДМК Пресс, 2007. 688 с.
Сведения об авторах Холькин Анатолий Иванович,
академик РАН, Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, г.Москва, Россия,
kholkin@igic.ras.ru
Акатьева Лидия Викторовна,
д.т.н., Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, г.Москва, Россия, akatieva@mail.ru Kholkin Anatoliy Ivanovich,
Academician of the RAS, Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of the RAS, Moscow, Russia,
kholkin@igic.ras.ru
Akatieva Lidiya Victorovna,
Dr.Sc. (Engineering), Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of the RAS, Moscow, Russia, akatieva@mail.ru
39
