Введение к работе
Актуальность работы. Уникальные свойства ультрадисперсных (нано-) материалов могут обеспечить им широкое использование в различных областях хозяйства. Известно, что наиболее эффективными в плане энергетических затрат, производительности процесса и возможности управления свойствами конечного продукта являются конденсационные методы синтеза наночастиц с использованием различных химических реакций. Однако химический путь синтеза зачастую сопряжен с применением дорогостоящих реактивов и оборудования, что естественным образом сказывается на стоимости синтезируемых наноматериалов. Очевидно, что в условиях масштабного использования ультрадисперсных материалов требуется качественно новый подход к выбору сырья и методов их получения. Поэтому, по нашему мнению, опыт использования вторичных ресурсов должен войти и в сферу производства наноматериалов.
Наиболее дешевым, крупнотоннажным, энергонасыщенным и многовариантным сырьевым материалом для получения различных видов ультрадисперсных продуктов является высокоосновный сталеплавильный шлак. Принадлежность минералов шлака к группе островных силикатов с изолированными кремне-кислородными тетраэдрами указывает на целесообразность кислотного выщелачивания его основных компонентов и, в первую очередь, ионов кальция с целью получения синтетического гипса. Следует отметить, что состав продуктов разложения минералов высокоосновного сталеплавильного шлака напрямую зависит от вида используемой кислоты. Однако в любом случае кислотная обработка шлака сопровождается, помимо образования солей металлов, выделением мономерной кремниевой кислоты. Кремниевая кислота активно участвует в разнообразных коллоидно-химических процессах при разложении шлаков, сопровождающихся переходом свободнодисперсной системы (золь) в связнодисперсную (гель) и формированием конденсационной структуры, что, в свою очередь, позволяет осуществлять синтез наночастиц золь - гель методом. Таким образом, кислотная обработка высокоосновного сталеплавильного шлака позволяет получить как минимум два продукта: ультрадисперсный синтетический дигидрат сульфата кальция и коллоидную кремнекислоту.
Целью настоящей работы является разработка коллоидно-химических основ процесса разложения минералов сталеплавильных шлаков при получении конденсационных дисперсных структур на основе коллоидной кремнекислоты и синтетического дигидрата сульфата кальция.
В соответствии с целью работы определены ее следующие задачи:
выполнить комплексный анализ высокоосновных сталеплавильных шлаков, позволяющий обосновать возможность их химической переработки;
исследовать коллоидно-химические процессы при разложении высокоосновных сталеплавильных шлаков кислотами;
обосновать роль коллоидной кремниевой кислоты и ионного состава техногенного раствора в процессе кристаллизации синтетического дигидрата сульфата кальция;
разработать практические рекомендации по рациональному использованию синтезированных ультрадисперсных материалов.
Аппаратура и методы исследований. Химический анализ осуществляли рентгенофлюоресцентным методом с использованием спектрометра рентгеновского многоканального PW-1600/10 с рентгеновской трубкой PW 2582 Rh. Рентге-нофазовый анализ (РФА) проводили на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3. Дифференциально-термический анализ осуществляли с использованием совмещенного ТТА/ДСК/ДТА анализатора SDT Q 600. Микроструктурные исследования образцов проводили с помощью растрового электронного микроскопа Quanta 200 3 D с интегрированной системой Pegasus 2000 для микроанализа. Электрокинетический потенциал на поверхности частиц коллоидной кремниевой кислоты определяли методом динамического светорассеяния на приборе Zetasizer Nano ZS. Определение мутности и концентрации ионов металлов в техногенном растворе осуществляли фотоколориметрическим методом с использованием фотометра Specord - 50. Вязкость исследуемых золей измеряли с помощью вибровискозиметра SV-10.
Научная новизна работы.
Выявлена качественная и количественная связь фазового состава высокоосновных сталеплавильных шлаков с интенсивностью и характером золь-гель процесса при получении поликомпонентных гипсосодержащих суспензий.
Установлено, что разложение высокоосновных сталеплавильных шлаков кислотами сопровождают сложные коллоидно-химические явления, включающие выделение коллоидной кремнекислота и ее коагуляцию катионами техногенного раствора по нейтрализационному механизму, образование гидросиликатов алюминия и кальция и их последующий гидролиз, а также формирование геля.
Впервые установлено, что определяющее влияние на процессы структуро-образования в поликомпонентных гипсосодержащих суспензиях оказывает изменение структуры золя кремниевой кислоты.
Показана роль коллоидной кремнекислоты и ионного состава техногенного раствора в изменении габитуса, повышении степени совершенства кристаллической решетки и дисперсности кристаллов синтетического гипса. Гетероадагуляция глобул кремнекислоты на поверхности кристаллизующегося гипса способствует образованию наноразмерных пластинчатых кристаллов.
Развиты представления о модифицирующем воздействии на структуру и свойства кристаллов синтетического гипса стабильного золя кремнекислоты, способствующего направленно-ориентированному формированию структуры.
Практическая значимость.
1. Показана возможность применения высокоосновного сталеплавильного
шлака в качестве недефицитного сырья для получения ультрадисперсного синте
тического дигидрата сульфата кальция и коллоидной кремнекислоты, что позво
ляет расширить спектр наноматериалов на их основе.
В зависимости от целевого назначения синтезируемых продуктов предложена гибкая, энергосберегающая одно - и двухстадийная технология кислотной обработки высокоосновных сталеплавильных шлаков.
Разработаны практические рекомендации по рациональному использованию синтезированных продуктов.
4. Предложенный вариант использования высокоосновных сталеплавильных шлаков будет способствовать сокращению площадей шлаковых отвалов и ослаблению техногенного фактора воздействия на окружающую природную среду.
На защиту выносятся:
Научные и экспериментальные результаты исследований, объясняющие механизм и закономерности структурно-реологических превращений высокодисперсных систем на основе синтетического дигидрата сульфата кальция и коллоидной кремнекислоти.
Анализ особенностей кристаллизации ультрадисперсного дигидрата сульфата кальция из техногенных солевых растворов.
Практические результаты по реализации особых свойств синтетического ультрадисперсного поликомпонентного материала на основе дигидрата сульфата кальция.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены на конференциях: VIII Международной научно-практической конференции «Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах» (г. Пенза, 2007 г); Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых ученых (г. Губкин, 2007 г); VIII Международной научно-практической конференции «Экологическая безопасность регионов России и риск от техногенных аварий и катастроф» (г. Пенза, 2008 г); XV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов - 2008» (г. Москва, 2008 г); V Международной научной конференции «Кинетика и механизм кристаллизации. Кристаллизация для нанотехнологий, техники и медицины» (г. Иваново, 2008 г); Международной научно-практической конференции «Наука и молодежь в начале нового столетия» (г. Губкин, 2008 г); Международной междисциплинарной научной конференции «Синергетика в естественных науках» (г. Тверь, 2009 г); Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы химической науки, практики и образования» (г. Курск, 2009 г); II Международной научно-практической конференции «Молодежь и наука: реальность и будущее» (г. Невинномысск, 2009 г).
Публикации по теме диссертации. По результатам исследований опубликовано 16 работ, в том числе 2 статьи в журналах из перечня ВАК; патент на изобретение №2371408 «Способ получения дигидрата сульфата кальция» от 27.09.2009 г.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, шести глав, выводов, библиографического списка и приложений. Общий объем работы 147 страниц, включая 46 рисунков, 14 таблиц и библиографию из 155 наименований.
