Введение к работе
Актуальность темы. Железооксидные соединения представляют большой научный и практический интерес как класс неорганических веществ, содержащих в своем составе элементы - хромофоры (Fe2+, Fe3+) и фазы с различными вариациями дисперсности и степени совершенства кристаллической структуры. Именно этими особенностями химического и фазового состава обусловлено их широкое применение в народном хозяйстве.
Группа железооксидных соединений, окраска которых обусловлена наличием в их составе оксидов и гидрооксидов железа, включает желтые, красные, черные пигменты, получаемые переработкой природных руд и синтетическим путем. Термин «пигмент» является правомерным, как для исходного необработанного сырья (руды), так и для полученных путем различной переработки продуктов, поэтому, как правило,. термины «железооксидные соединения», «болотные железооксидные руды (БЖР)» и «пигменты» рассматриваются как синонимы.
Синтетические железооксидные пигменты получают из солей осаждением или прокаливанием, а также путем окисления металлического железа. Химизм процессов и технологические схемы получения синтетических пигментов различаются в зависимости от требований к физико-химическим характеристикам готового продукта, и включают в себя многоступенчатые стадии, которые сопровождаются выделением разогретых газов: серного и сернистого ангидридов и паров серной кислоты, что оказывает негативное воздействие на окружающую среду. Стоимость полученных синтетическим путем пигментов в 2,5-3 раза выше, чем пигментов, полученных из природного сырья. Кроме того, в отличие от синтетических, переработка природных железооксидных соединений, используемых в качестве красителей, наполнителей и др. материалов, не приводит к осложнению экологической ситуации и требует значительно меньше энергозатрат по сравнению с синтезом пигментов. Следует также отметить, что залежи таких руд расположены в благоприятных транспортно-экономических условиях. Все вышеперечисленные факторы определяют предпочтительность использования природных железооксидных соединений в качестве необходимых ингредиентов для различных материалов (краски, лаки, для объемного окрашивания строительных материалов, наполнители и др.).
В настоящее время по потреблению железооксидных соединений, являющихся основой пигментов и лакокрасочных материалов Россия приближается к странам Западной Европы. Согласно большинству экспертных оценок, при условии экономической стабилизации реальный экономически обоснованный уровень потребления лакокрасочных материалов в России составляет около 1 млн. т/год.
Анализ рынка пигментов показывает, что в настоящее время в РФ отсутствуют крупные производители железооксидных пигментов, и практически вся лакокрасочная промышленность ориентирована на импортное сырье, приобрс-
, РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ і БИБЛИОТЕКА
теиие которого оценивается во многие десятки миллионов долларов США. В тоже время, опыт работы в этой области показывает, что на основе природных минеральных образований могут быть получены высококачественные пигменты, практически не отличающиеся по своим техническим характеристикам от синтетических аналогов. Это делает технологии получения пигментов из минерального сырья перспективными, и исследования в этой области актуальными.
На технологии переработки железооксидных соединений влияют малейшие тонкости фазового состава, наличие примесей, дефекты кристаллической структуры, степень дисперсности и аморфности всех входящих в природные Соединения фаз. С учетом, того обстоятельства, что основной стадией переработки природных пигментов является обогатительный обжиг, немаловажным аспектом становится изучение температурного воздействия на структурные и фазовые характеристики. Выявление взаимосвязи структура - состав - температура позволяет осуществить прогнозную оценку сырья и предложить оптимальные способы их переработки.
Целью настоящей работы является исследование физико-химических аспектов получения пигментов из железоксидного природного сырья, разработка новых методических приемов, позволяющих определять структурные особенности исследуемых объектов и установить термоаналитические критерии выбора оптимальных режимов обжига.
Научная новизна:
- созданы вероятностные модели ассоциаций железооксидных соедине
ний в природных образованиях и установлены особенности их струк
турного, дисперсного и морфологического состояний;
разработана методика оценки содержания кристаллических и квазикристаллических (аморфных) составляющих природных пигментов;
предложена модель, описывающая кинетику процесса дегидратации природных гидроксидов железа в неизотермических условиях;
обоснована значимость выбора термоаналитических критериев для переработки природных железооксидных соединений.
Практическая значимость работы. Разработанные методические приемы апробированы при комплексной оценке качества болотных железооксидных руд. На основе изучения структурных, фазовых особенностей, кинетики процессов термического обжига железооксидных соединений предложены оптимальные алгоритмы технологической переработки железооксидных соединений с получением пигментов типа «сурик», «охра» удовлетворяющих техническим требованиям. Проведенные исследования позволяют осуществить прогнозную оценку сырья без проведения укрупненных и трудоемких технологических операций.
Степень достоверности научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы подтверждается применением современных методов изучения состава, структуры и свойств большого объема экспериментального материала и корректным использованием методологии исследований, связанных с разработкой новых приемов.
*.-. '4
На защиту выносятся:
- методологический подход к комплексному исследованию особенно
стей состава, структуры и морфологии железооксидных природных
соединений, п озволяющий выявить оптимальные пути их технологи
ческой переработки;
- результаты изучения термического поведения железооксидных руд и выбор термоаналитических критериев, служащих основой их типизации и технологической перераработки;
методика определения количественного содержания кристаллических и квазикристаллических фаз железооксидных соединений и разработанное программное обеспечение «Pigment»;
результаты кинетического исследования процесса термического разложения природных железооксидных руд в неизотермических условиях.
Апробация работы и публикации: Результаты работы и основные положения были представлены на конференциях: «Всероссийская конференции по технологии неорганических веществ» (Казань - Менделеевск, 2001 г.), Годичное собрание «Минералогия - основа использования комплексных руд» (С.Петербург, 2001 г.), XV Международное Совещание «Рентгенография и кристаллохимия минералов» (С.Петербург, сентябрь 2003 г.), XIII Всероссийская конференция по термическому анализу (Самара, июнь 2003 г.), Международная научная конференция по применению Мессбауэровской спектроскопии (IX ICMCA) (Екатеринбург, июнь 2004 г.). По теме диссертации опубликовано 8 работ. Практическая значимость работы подтверждается актами внедрения ГГП «Волгагеология», ООО «Пестречинская керамика», ООО «Керамосинтез», ООО «Чувашские краски».
