Головна сторінка
Звіт про пошук
 Автореферат
Електронна бібліотека
 Посилання 
Індивідуальне завдання

АВТОРЕФЕРАТ ДО ТЕМИ ВИПУСКНОЇ РОБОТИ

магістра Омельченко В.В.

на тему:

ОТРИМАННЯ КЕРАМІЧНИХ ПІГМЕНТІВ НА ОСНОВІ КОРДІЄРИТУ
З ВИКОРИСТАННЯМ ТЕХНОГЕННИХ ВІДХОДІВ ОТХОДОВ


1 Актуальність теми, мета і задачі

2 Експериментальні частина

    2.1 Характеристика сировинних матеріалів

    2.2 Фізико-хімічні основи синтезу пігментівпигментов

    2.3 Вплив мінералізаторів на процес спікання пігментів

    2.4 Методика приготування керамічних пігментів

Висновки

Література


1 АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ, МЕТА І ЗАДАЧІ

Виробництво кераміки – одне з найдавніших. Спочатку як барвники застосовували міцні фарбувальні сполуки – природні мінерали, що містять Co, Cr, Fe, Mn. Проте склад цих мінералів нестабільний і використання їх в промислових масштабах не було можливим.

Анміація - Різні кольори пігментів У теперішній час основою виробництва керамічних фарб служать синтетичні жаростійкі пігменти у вигляді забарвлених оксидів металів і їх сполук, алюмінатів і силікатів типу шпінелей, віллемітів, гранатів, твердих розчинів типу корунду або міцних сполук фосфатів, молібдатів, вольфраматів і ванадатів. Окрему групу представляють золотовмісні пігменти, забарвлення яких обумовлене частинками золота колоїдної дисперсності. Вивчення процесу синтезу керамічних пігментів, умов їх утворення і структури має велике практичне значення.


Рис.1 Різні кольори
пігментів: 21-кадр, 6-повторень

Економічний потенціал Донецької області характеризується наявністю власних паливно-енергетичних і мінарально-сировинних ресурсів. Це зумовило формування потужного промислового комплексу, створення достатньо розвиненої виробничої інфраструктури. Тому гострими проблемами області є забруднення повітярнного та водного басейнфв, накопичення відходів.

Відходи - це один з найбільш вагомих факторів забрудненя навколишнього середовища й пагубного впливу на всі його компоненти.

Значними джерелами твердих відходів є вугільна,металургійна, хімічна промисловість, ТЕС.

Площа земель, зайнятих відходами, наближується до 2% території Донбасу. Відносно загальноукраінських об'ємів у Донецькій області утворюється 20-30" токсичних відходів.

В області існують потужності для утилізації тільки окремих видів відходів. Для збору й переробки ртутьмвіщуючих відходів у області працює підприємство "Микитртуть", яке було створено на базі Мкитовскього ртутного кобмінату. В області відсутня система збору й утилізації відходів, забруднених нафтопродуктами, тому росширюється практика спалювання цих відходів, що в умовах нашої області з високим забрудненням атомферного повітря просто неприпустимо.

Відходи виробництва й споживання, які утворюються у народному хозяйстві, є вторинними матеріальними ресурсами й можуть бути використані для виробництва традиційних видів продукції або нових видів продукції. При цьому вирішуються питання, пов'язані із створенням ресурсо- й енергозберігаючих, а також екологічно безпечних технологій.

Мета роботи: отримання керамічних пігментів на основі кордієриту з використанням техногенних відходів.

Задачі:

  1. розробити склади пігментів;
  2. вибрати оптимальну температуру синтезу пігментів;
  3. на основі отриманих результатів зробити висновок про можливість використання техногенних відходів у якості хромофорних компонентів для отримання керамічних пігментів;
  4. утилізація техногенних відходів.

2 ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА

2.1 Характеристика сировинних матеріалів

Кордієрит 2MgO•2Al2O3•5SiO2 володіє доволі високим опором різкій зміні температури і низьким термічним коефіцієнтом лінійного розширення. Він існує в двох кристалічних модифікаціях: гексагональній і ромбічній.

Низькотемпературна ромбічна модифікація називається кордиєритом, стабільна високотемпературна - індіалитом.

Кордієритові керамічні маси характеризуються вузьким інтервалом спікання, розширити який можна при використовуванні талькоглиністих сумішей, шамота або кварцового піску, а також введенням добавок оксидів лужних металів. Лужновміщуюча рідка фаза активно стимулює утворення кордієріта в масах. В керамічних матеріалах, обпалених при температурі 1450oС, міститься 85% кордієріта і 15% стекла. В матеріалах, обпалених при більш високих температурах, кордієріт повністю відсутній.

Для отримання керамічніх пігментів у якості хромофорного компоненту використовувались різні відходи: шлам цеху по переробці кожевенної сировини ВАТ «Мєролла-Пеллє», відпрацьований кобальтовий й ванадієвий каталізатори.

Сухий шлам являє собою порошок сірого кольору зі слабким фіолетовим відтінком наступного складу (% мас.): Cr(ІІІ) – 20,4 ( у перерахунку на Cr2O3– 29,80), Na – 8,7, Cl – 12,7, Mg – 2,7, Ca – 2,1, Si – 0,6, SO4 – 6,5.

Відпрацьованний кобальтовий каталізатор є порошок синього кольору наступного складу (% мас.): Al2O3– 68,9; CoO – 5,02; Fe2O3 – 0,24; Na2O – 0,037; MoO3– 12,30.

Відпрацьованний ванадієвий каталізатор VK-58 являє собою гранули діаметром 3-5 мм складу (% мас.): V2O5 – 6–8, оксиды лужних металів - 17–21.

Іншими вихідними компонентами для отримання керамічніх пігментів на основі кордієріту були: оксид магнію й алюмінію, чистий кварцовий пісок. У якості мінаралізатора використовували борну кислоту й оксид цинку.

Для досвіду були вибрані наступні склади пігментів:

  1. 2MgO•0,5Cr2O3•1,5Al2O3•5SiO2
  2. 2MgO•Cr2O3•Al2O3•5SiO2
  3. 2MgO•1,5Cr2O3•0,5Al2O3•5SiO2
  4. 2MgO•2Cr2O3•5SiO2
  5. 2MgO•Cо2O3•Al2O3•5SiO2.
  6. 2MgO•1,5Cо2O3•0,5Al2O3•5SiO2
  7. 2MgO•2Cо2O3•5SiO2
  8. 2MgO•V2O5•Al2O3•5SiO2
  9. 2MgO•1,5V2O5•0,5Al2O3•5SiO2
  10. 2MgO•2V2O5•5SiO2



2.2 Физико-хімічні основи синтезу пігментів

В даний час синтез керамічних пігментів проводиться на основі кристалічних сполук, що володіють стійкістю до дії агресивних середовищ і високих температур, розчинювальній дії глазурі, флюсів.

Синтез керамічних пігментів здійснюють при оптимальній температурі, вище якої багато оксидів перехідних металів вживаних як хромофоров, стають летючими.

Забарвлення кристала виникає в результаті обробки його декільком способами. Так, кристали можуть забарвлюватися під впливом відповідних домішок – елементів перехідних металів. Забарвлення кристалів можна змінити також шляхом введення надмірного, в порівнянні із стехіометричним складом, кількості катіонів. Наприклад, під час нагрівання кристали хлориду натрію у присутності пари натрію забарвлюються в жовтий колір. Викликати або усилити забарвлення кристала можна опромінюванням гамма- або рентгенівським проміннями, електронами.

Забарвлений кристал володіє центрами забарвлення, тобто дефектами решіток, які поглинають світло. Так, при входженні в решітки основного кристала сторонніх атомів спостерігаються відхилення від його ідеальної форми. Це входження може здійснюватися двома способами. Перший спосіб полягає в тому, що атоми упроваджуються в міжвузловини кристалічних решіток і утворюють тверді розчини упровадження. Згідно другому способу, сторонні атоми займають положення, які призначені для основних атомів. При цьому утворюються тверді розчини заміщення.

Тверді розчини заміщення утворюються тоді, коли кристалічні решітки компонентів мають однаковий тип структур. Згідно основним правилам кристаллохімії, розміри іонів, що беруть участь в утворенні твердих розчинів заміщення, повинні відрізнятися не більше ніж на 15 %. При порушенні цієї умови тверді розчини характеризуються обмеженою розчинністю.

Важливою умовою утворення твердих розчинів служать також ступені окислення основного і заміщаючого його іонів. Кристалічні решітки, що утворюються, повинні зберігати електронейтральність. Отже, для синтезу пігментів головними чинниками є відносні розміри іонів, їх ступінь окислення і тип структури.

Синтез пігментів може здійснюватися й на основі твердих розчинів упровадження. Іони, що при цьому розчиняються, розміщуються в міжвузлях кристалічних грат. Особливістю розчинів упровадження є міцний зв'язок в них між атомами розчинника і розчиненої речовини, що призводить до підвищення тугоплавкої і міцності матеріалу.

На основі хімічних сполук можуть утворюватися тверді розчини віднімання.

Так, разом з нормальним положенням іонів в кристалічних решітках зустрічаються вакантні вузли, призначені для інших іонів. При упровадженні іонів повинна дотримуватися головна умова електронейтральності, порушення якої призводить до утворення нестехіометричних сполук.

При утворенні твердих розчинів заміщення і упровадження відбувається дифузія іонів в кристалічні грати речовин. Оскільки для синтезу керамічних пігментів використовують стійкі до високих температур кристалічні сполуки з характерною високою енергією зв'язку між становлячими їх іонами, то проникнення іонів перехідних металів в основні решітки ускладнено. Тому необхідно добитися такого стану решитки-акцептора, при якому він володітиме найбільшою рухливістю.

Синтез пігментів відбувається при високій температурі на основі твердофазних реакцій. Процеси, що протікають в твердих сумішах при нагріванні вельми складні і включають наступні елементарні стадії: виникнення дефектів розпушування кристалічних решіток; утворення, витрата твердих розчинів; перебудову унаслідок поліморфних перетворень; дифузію (зовнішню, внутрішню, поверхневу); спікання, рекристалізацію; дисоціацію; власне хімічна взаємодія початкових компонентів.

Швидкість протікання твердофазних реакцій залежить від температуритривалості витримки при кінцевій температурі випалу, а також поверхні взаємодії між становлячими реагентами.



2.3 Вплив минерализаторов на процес спекания пігментів

При виготовленні керамічних пігментів використовують речовини – мінералізатори, які прискорюють процес спікання. Наявність мінералізаторів в суміші призводить до утворення рідкої фази при більш низькій температурі, а це робить вплив на лімітуючу стадію реакції в твердій фазі, прискорює процес дифузії, поліморфні перетворення і спікання.

Ефективність дії мінералізаторів залежить від їх природи, кількості і ступеня диспергіровання в реагенті, що активується.

Враховуючи, що вибір мінералізаторів має вирішальне значення для активації реакцій значну увагу надане механізму їх взаємодії з основними компонентами.

Дію мінералізаторів можна звести до трьох етапів:

  • в інтервалі температур нижче початку плавлення, який характеризується поверхневою самодифузією іонів у період твердофазних реакцій; об'ємною дифузією іонів початкової фази і мінералізатора; розвитком областей дислокацій в кристалах;
  • в інтервалі температур плавлення;
  • період рекристалізації, в якому бере участь рідка фаза.

    • Мінералізатори викликають появу рідкої фази, яка сприяє муллітізації алюмосилікатів, створенню штучних центрів кристалізації, утворенню твердих розчинів. Мінералізатори впливають на утворення центрів кристалізації і зміну швидкості цього процесу, а також на будову властивості кристалічних решіток.

    Введення в розплав модифікаторів змінює також його будову. Дія мінералізатора зводиться до того, що в процесі плавлення він розхитує кристалічну структуру, призводячи її в активний стан.

    Присутність в реакційній суміші речовини, створюючої більш-менш легкоплавку суміш з одним або декількома компонентами шихти, сприяє збільшенню площі зіткнення між реагентами, швидкості дифузії і всього процесу.

    Для виробництва керамічних пігментів як мінералізатори використовують сполуки бору, фтору, оксиди лужних металів. Так, мінералізуюча дія фтор-іонів пояснюється тим, що вони не можуть брати участь в утворенні «містків» між кремнеэкисневими тетраедрами. При введенні фтор-іонів до складу початкової суміші змінюється частка атомів кисню, зв'язаних в просторових решітках між собою через атоми кремнію, тобто фтор-іон сприяє розриву хімічних зв'язків в кристалічних решітках. Як мінералізуючі добавки при синтезі пігментів частіше за все використовують буру, борну кислоту, солі лужних металів. Відомо, що борна кислота Н3ВО3 при нагріванні до 100oС обезводнюється і переходить в метаборну кислоту НВО2. При подальшому нагріванні утворюється склоподібний B2O3, кристалічна модифікація має температуру плавлення 450oС і кипіння 2250oС. Всі оксиди, за винятком BeO, AI2О3, ZrO и TiO2 добре розчиняються в розплавленому В2О3.

    Відмічається позитивний вплив В2О3 на хромофорні властивості пігментів. Як відомо, основними хромофорами є іони перехідних металів: Со2+, Ni2+, Fe2+, Cr3+, V3+. Вони мають неповністю завершену електронну оболонку і володіють високою поляризаційною здатністю. Забарвлення їх змінюватиметься в залежності від полярізуємості іона, зокрема кисню, що входить в комплекси іонів перехідних металів: CoO4, CoO6, NiO4, NiО6, CrO4 и др.

    Таким чином, борні сполуки сприяють, з одного боку, переведенню кристалічних речовин в активний стан, не руйнуючи їх, з іншою – посиленню хромофорних властивостей пігментів. Оксиди ж лужних металів виступають як плавні, надаючи руйнуючу дію на кристалічну сполуку і збільшуючи кількість склоподібної фази, знижують яскравість пігментів.

    Використовування мінералізаторів дозволяє значно знизити температуру синтезу пігментів. Навіть незначна добавка мінералізатора може перевести в рідку фазу велику масу реагенту і сприяти інтенсивному протіканню реакції.



    2.4 Методика приготування керамічних пігментів

    Для виготовлення шихти вихідні компоненти зважували на аналітичних вагах, подрібнювали до проходження через сіто 02 й змішували у співвідношенні, що відповідає складу пігментів. Потім шихту поміщали у корундовий тигель й випалювали при обраній температурі: 1100oС - для пігментів, що містять відходи кожевенного виробництва й кобальтовий каталізатор; 950oС для пігментів, що містять відход ванадієвого каталізатора. При даних температурах випалу отриманний продукт був добре спечений, але не до його оскловування.

    Зразки отриманих пігментів Отриманий пігмент використовували для забарвлення безбарвної фритованної глазурі. Пігмент уводили у кількості 10%, безбарвну фриту – 90%. Й додавали 5% (понад 100%) білої Часів-Ярської глини. Наносили на випалену неглазуровану плитку методом поливу. Випал покритих плиток здійснювали при температурі 1000oС. Під час використання ванадієвого каталізатора отримані негативні результати, тому що не отримано забарвлення.

    Для визначення кольору використовували кольорову карту RAL. Склад й колір забарвленої фритованної глазурї представлені у таблиці 1.



    Таблиця 1 – Забарвлення безбарвної фритованної глазурі

    Склад пігменту Забарвлення
    2MgO•0,5Cr2O3•1,5Al2O3•5SiO2
    (мінералізатор H3BO3)         		оливково-жовте
    2MgO•Cr2O3•Al2O3•5SiO2
    (мінералізатор H3BO3)         		жовто-сіре
    2MgO•Cr2O3•Al2O3•5SiO2
    (мінералізатор ZnO)         		оливково-сіре
    2MgO•1,5Cr2O3•0,5Al2O3•5SiO2
    (мінералізатор H3BO3)         		сірий "мох"
    2MgO•Co2O3•Al2O3•5SiO2
    (мінералізатор H3BO3)    		 блакитно-сіре-синє
    2MgO•1,5Co2O3•0,5Al2O3•5SiO2
    (мінералізатор H3BO3)         		сіро-фіолетове
    2MgO•1,5Co2O3•0,5Al2O3•5SiO2
    (мінералізатор ZnO)         		фіолетово-сіре



    ВИСНОВКИ

    Отримані результати дозволяють зробити висновок о можливості використання шлама сировини кожевенного виробництва, ванадієвого й кобальтового каталізаторів як хромофорних компонентів для отримання керамічних пігментів на основі кордієриту. Це дає можливість застосовувати більш дешеву сировину й одночасно утилізовувати дані види відходів. Оптимальною температурою синтезу можно вважати 1000-1100оC.

    У майбутньому планується використання у якості хромофорних компонентів інших видів техногенних відходів, а також дослідження можливості отримання керамічних пігментів на основі інших кристалічних сполук. А також планується запис дифрактограм деяких складів пігментів, щоб впевнитися, що дійсно відбувається утворення кордієриту. Планується запис спектрограм.


    ЛІТЕРАТУРА

    1. Пищ И.В., Масленникова Г.Н. Керамические пигменты. – Минск: Выш. шк, 1987. – 133с.
    2. Пищ И.В., Ротман Т.И. Влияние минерализаторов на физико-химические свойства пигментов // Стекло и керамика. – 1987. - №4 – С.21-22
    3. Керамические пигменты типа кордиерита / В.П.Пырьков, Л.И.Черепанина, А.И.Денисов и др. // Стекло и керамика. – 1981. - №5 – С.22-23
    4. Шевченко А.Ю, Омельченко В.В., V Международная научная конференция студентов и аспирантов "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов" (ДонНТУ, 2006 г.).
    5. http://evroprofile.ru/procat/color.htm Цветовая карта RAL



    Головна сторінка
    Звіт про пошук
     Автореферат
    Електронна бібліотека
     Посилання 
    Індивідуальне завдання