Атемарский диатомит как сырье для получения микрокремнезема
- Авторы: Куприяшкина Л.И., Карандашов Д.Л., Муханов М.А., Мещеряков А.Е., Нурлыбаев Р.Е.
- Выпуск: Том 7, № 5 (2019)
- Раздел: Статьи
- Статья получена: 04.02.2025
- Статья одобрена: 04.02.2025
- URL: https://ogarev-online.ru/2311-2468/article/view/278920
- ID: 278920
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Проведен анализ диатомитовых пород Атемарского месторождения Республики Мордовия. Описана методика анализа силикатной породы для получения микрокремнезема из природного диатомита. Проведен сравнительный анализ синтезированного микрокремнезема и стандартного порошка белой сажи. Получен термогравиметрический анализ синтезированного кремнезема из Атемарского диатомита. Приведены показатели теплопроводности полученного микрокремнезема.
Ключевые слова
Полный текст
Строительные композиционные материалы – это поликомпонентные системы, включающие в себя различные специализированные вяжущие, химические модифицирующие добавки, наноразмерные кремнезем и силикаты, специальные заполнители и т.д. [1]. Получение набора кремнеземных наночастиц различного строения актуально. Такие нанокомпозиты уже нашли применение в промышленности для изготовления специальных покрытий, огнестойких материалов, деталей автомобилей, электронных и оптических устройств [2]. Материалы на основе кремнезема имеют высокую стойкость к тепловому удару, обладают превосходными электроизоляционными свойствами при высоких температурах, могут длительно использоваться без изменения свойств при температуре 1000 ºС и кратковременно при более высоких температурах.
В качестве исходного материала для получения аморфного кремнезема в нашей стране служит кремнеземсодержащее сырье, к которому относятся диатомиты, трепел и опока. Эти породы состоят на 70-90% по массе из различных модификаций диоксида кремния. Сырьевой базой кремнеземсодержащего сырья для получения кремнезема в Республике Мордовия могут служить два месторождения диатомита – Атемарское и Анучинское. Добыча ископаемых осуществляется открытым способом. Порошок диатомита нерастворим в кислотах (HCl, HNO3, H2SO4) и относится к кислым породам. Для переведения его в раствор необходимо сплавление. Наиболее удобным плавнем является смесь Na2CO3 и K2CO3. При этом температура плавления составляет 800-900 ºС.
Прежде всего, были определены общая влажность диатомита и потери при прокаливании. Результаты анализа показывают, что общая влажность породы составила 5,5-6,0%. Потери при прокаливании составили около 9%, что свидетельствует о наличии органических составляющих в породе.
В основу получения кремнезема из природного диатомита взята методика анализа силикатной породы. Навеску диатомита 5 – 7,5 г, смешивали с шестикратным количеством щелочного плавня. Проводили сплавление в платиновых и корундовых тиглях в муфельной печи при температуре 800-900 ºС. Полученный плав выливали на силикатный кирпич или переливали в платиновый тигель, переносили в химический стакан, добавляли дистиллированную воду, подкисляли концентрированным раствором HCl и выпаривали досуха. Эту операцию повторяли для полного обезвоживания гидратированного диоксида кремния. Нерастворенным оставался гидратированный оксид кремния (IV), который отделяли фильтрованием. Промывали осадок 0,5% раствором HCl 6 – 8 раз. Осадок сушили на воздухе, непосредственно на фильтре, затем переносили с фильтра в чашку Петри и сушили в сушильном шкафу при температуре 120 ºС.
В нашем случае кремнезем из диатомита получен при низких значениях рН. рН относится к наиболее важному фактору, влияющему на пористую структуру силикагеля, при которой формируется мокрый гель. Величина рН осаждения влияет на размер частиц, образующих скелет геля, пористость «мокрого» и высушенного геля. В процессе работы рН не изменялся, оставаясь в пределах 0,6 до фильтрования и 0,8 – 0,85 после промывания осадка на фильтре. Данный способ получения микрокремнезема трудоемкий, длительный, требует большой затраты электроэнергии.
Изучена возможность получения микрокремнезема из диатомита путем удаления примесей (оксидов Fe, Al, Ca, Mg и др.) соляной кислотой. Навески просушенного диатомита помещали в колбы, заливали соляной кислотой определенной концентрации (1, 2, 3 или 4 М) и кипятили на плитке в течение 1 – 1,5 часов. Нерастворившийся остаток отфильтровывали, промывали водой и анализировали на содержание диоксида кремния, Fe3+, Al3+, Ca2+, Mg2+. Результаты химического анализа представлены в таблице 1. Содержание SiO2·nH2O в осадке составило 78-79 %. Понижение содержания SiO2·nH2O в осадке наблюдалось по мере увеличения концентрации HCl, что, вероятно, связано с переходом кремниевой кислоты в растворимое состояние [3]. Содержание оксида железа составило 4–6%, оксида алюминия – 5–8%. Наибольшая их концентрация в фильтрате наблюдается при обработке диатомита 2 М соляной кислотой.
Таблица 1
Результаты химического анализа Атемарского диатомита после обработки HCl
Определяемые параметры | |||||||||
№ п/п | Навеска диатомита, г | Масса осадка, г | SiO2 ∙nH2O | Fe2O3 | Al2O3 | Кон-ция HCl, моль/л | |||
1 | 1,0014 | 0,8933 | 79,50 | 0,35 | 4,48 | 0,24 | 5,65 | 0,36 | 1 |
2 | 1,0025 | 0,8591 | 78,80 | 0,33 | 6,08 | 0,17 | 8,12 | 0,16 | 2 |
3 | 1,0036 | 0,8482 | 79,35 | 0,27 | 5,12 | 0,20 | 7,35 | 0,23 | 3 |
4 | 1,0020 | 0,8408 | 78,90 | 0,30 | 4,16 | 0,28 | 5,30 | 0,32 | 4 |
На рисунках 1 и 2 представлены ИК-спектры микрокремнезема, полученного из диатомита путем сплавления последнего со щелочным плавнем, тонкодисперсного кремнезема, известного под названием «белая сажа», взятого в роли стандартного образца, а также кремнезема, выделенного из диатомита путем отмывания примесей обработкой соляной кислотой.
По данным ИК-спектров можно заключить, что микрокремнеземы, полученные различными способами, идентичны со спектрами стандартного образца «белая сажа». Во всех спектрах присутствует широкая полоса поглощения в области волновых чисел 3500– 3300 см-1, а также более узкая полоса в пределах 1630–1640 см-1. Широкая полоса поглощения соответствует адсорбированной воде, полоса поглощения 1631 см-1 соответствует молекулам воды, имеющим водородные связи с силанольными группами. Полосы поглощения 1100–1087 см-1 соответствуют валентным колебаниям связи Si – O – Si. На поверхности кремнезема содержатся в большом количестве адсорбционная вода и силанольные группы. Наличие силанольных групп на поверхности кремнезема очень важно, так как они значительно более активны и легко вступают в химические реакции. Протон силанольной группы имеет слабокислый характер и способен вступать в реакции ионного обмена.
Размер частиц полученного кремнезема определяли с помощью оптического микроскопа Nikon LV-150. Установлено, что микрокремнезем из Атемарского диатомита имеет размер частиц 5 – 10 мкм. По результатам исследований можно сделать вывод, что нами получен из природного диатомита тонкодисперсный порошок кремнезема, который был исследован термогравиметрическим методом на устройстве термогравиметрического и дифференциально-термического анализа TGA/SDTA 851. На рисунке 3 представлена термограмма синтезированного кремнезема из Атемарского диатомита.
Рис. 1. Кривые спектрального анализа синтезированного кремнезема, промытого 0,5%-ным раствором HCl и стандартного образца белой сажи (1 ̶ кремнезем из диатомита, 2 ̶ белая сажа).
Рис. 2. Кривая спектрального анализа Атемарского диатомита после обработки 2 М раствором HCl.
Анализируя полученные кривые видно, что при нагревании порошка от 70 до 165 ºС образец теряет около 21% своей массы за счет удаления адсорбированной воды. С повышение температуры до 250 – 400 ºС потеря массы составляет 5,7%, вероятно, за счет удаления поровой воды. С повышение температуры до 420-500 ºС потеря массы составляет 1,7%. Дальнейший рост температуры до 1200 ºС не сопровождается изменением массы.
Рис. 3. Кривая термогравиметрического анализа синтезированного кремнезема из Атемарского диатомита, промытого 0,5%-ным раствором HCl.
Нанопорошки имеют низкую теплопроводность и могут быть использованы в качестве теплоизоляторов и теплоизолирующих прокладок, поэтому изучена теплопроводность микрокремнезема [4; 5]. В таблице 2 представлены результаты анализа, сделанные на измерителе теплопроводности ИТС-1.
Таблица 2
Результаты анализа теплопроводности микрокремнезема
№ п/п | Теплопроводность λ, Вт/(м∙К) | Производимые действия |
1 | 0,090 | – |
2 | 0,087 | Прокаливание при 200 ºС |
3 | 0,050 | СВЧ-излучение в течение 5 мин |
4 | 0,042 | Измельчение растиранием |
5 | 0,040 | СВЧ-излучение в течение 5 мин |
Из таблицы 2 видно, что микрокремнезем без предварительного прокаливания имеет теплопроводность λ = 0,090 Вт/(м·К). После прокаливания при 200 ºС в муфельной печи в течение 30 минут теплопроводность составила λ = 0,087 Вт/(м·К), после обработки СВЧ-излучением в течение 5 минут – λ = 0,050 Вт/(м·К). При дополнительном измельчении до обработки СВЧ-излучением в течение 5 минут – λ = 0,040 Вт/(м·К). Таким образом, при взаимодействии СВЧ-излучения происходит удаление адсорбированной воды, увеличение пористости микрокремнезема, что ведет к уменьшению теплопроводности дисперсной системы более чем в 2 раза.
Об авторах
Л. И. Куприяшкина
Автор, ответственный за переписку.
Email: ogarevonline@yandex.ru
Россия
Д. Л. Карандашов
Email: ogarevonline@yandex.ru
Россия
М. А. Муханов
Email: ogarevonline@yandex.ru
Россия
А. Е. Мещеряков
Email: ogarevonline@yandex.ru
Россия
Р. Е. Нурлыбаев
Email: ogarevonline@yandex.ru
Россия
Список литературы
- Айлер Р. Химия кремнезёма. В 2-х частях. – М.: Мир, 1982. – 1128 с.
- Селяев В.П., Осипов А.К., Писарева А.С. Наночастицы, порошки, структуры, технологии: аналит. обзор. – Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2010. – 84 с.
- Патент 2526454 Российская Федерация, МПК С 01 В 33/18. Способ получения тонкодисперсного аморфного микрокремнезема / В.П. Селяев, А.К. Осипов, А.А. Седова, Л.И. Куприяшкина; патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева».– № 2013104054/05; заявл. 30.01.13; опубл. 20.08.14, Бюл. № 23. – 7 с.
- Долгов И. П., Киселев Н. Н., Куприяшкина Л. И., Нурлыбаев Р. Е., Селяев В. П. Разработка вакуумных панелей на основе микрокремнезема из наноструктурированного порошка частиц диатомита [Электронный ресурс] // Огарев-online. – 2018. – № 9. – Режим доступа: http://journal.mrsu.ru/arts/razrabotka-vakuumnyx-panelej-na-osnove-mikrokremnezema-iz-nanostrukturirovannogo-poroshka-chastic-diatomita (дата обращения 08.04.2019).
- Селяев В.П., Куприяшкина Л.И., Киселев Н.Н., Селяев П.В. Оптимизация состава наполнителя вакуумной теплоизоляционной панели на основе пирогенного микрокремнезема // Известия высших учебных заведений. Строительство. – 2017. – № 5. – С. 36–42.
Дополнительные файлы
