Международный
научный журнал

Пигменты на основе шпинели с применением отходов производства



Цитировать:
Алимджанова Д.И., Шамуратова Ш.М., Косымов У.У. Пигменты на основе шпинели с применением отходов производства // Universum: Химия и биология : электрон. научн. журн. 2018. № 8(50). URL: http://7universum.com/ru/nature/archive/item/6191 (дата обращения: 24.10.2019).
 
Прочитать статью:


АННОТАЦИЯ

Получены пигменты с красно-коричневыми окрасками на основе шпинели путем изоморфных замещений ионов алюминия и железа в составе глиноземистого отхода Шуртанского газохимического комплекса и железосодержащего отхода Алмалыкского горно-металлургического комбината Республики Узбекистан.

ABSTRACT

Pigments with red-brown stains on the basis of spinel are obtained by isomorphic substitutions of aluminum and iron ions in the composition of the alumina waste of the Shurtan gas chemical complex and iron-bearing waste of the Almalyk Mining and Metallurgical Combine of the Republic of Uzbekistan.

 

Ключевые слова: керамические пигменты, шпинель, глиноземистый отход, железосодержащий отход, изоморфное замещение, спектры отражения, термическая устойчивость, химическая стойкость.

Keywords: ceramic pigments, spinel, alumina waste, iron-containing waste, isomorphous substitution, reflection spectra, thermal stability, chemical resistance.

 

В данной работе излагаются результаты проведен­ных исследований по разработке состава и изучению свойств керамических пигментов на основе шпинели, предназначенных для декорирования строительных материалов.

Для выполнения поставленных задач нами были использованы как реактивный оксидMgO так и отходы производства: глиноземистый отход Шуртанского газохимического комбината и железосодержащий отход Алмалыкского горно-металлургического завода. Последние в состав шихты вводились вместо реактивного оксида алюминия и железа после корректирующих перерасчетов.

Подробное изучение глиноземистого отхода проводилось в работе [1,2], по результатам которой отработанный катализатор является рентген аморфным веществом, представленным в основном активным аморфным Al2O3. Термическое нагревание отхода при 1000оС приводит к удалению органических солей и кислот, сорбированных в процессе его эксплуатации. Обжиг меняет фазовый состав отработанного катализатора, при этом образуется корунд - α- Al2O3 .

Железосодержащий отход Алмалыкского горно-металлургического комбината является отвальным шлаком медного производства, содержание Fe2O3 в его составе варьирует от 30 до 40%.

Физико-химической основой синтеза керамиче­ских пигментов является принцип изоморфного замещения ионов в веществах, кристаллические решетки которых рассматриваются как акцепторы. Определенный интерес в этом плане представляют большинство минералов группы шпинелей, отличаю­щиеся высокой температурой плавления и способ­ностью образовывать твердые растворы замещения. В основном шпинели обладают гранецентрированной кристаллической решеткой с кубической упаковкой ионов кислорода, хотя могут образовывать также тетрагональные или ромбические решетки [3,4].

 Нами были поставлены задачи по разработке железосодержащих керамических пигментов с красно-коричневой окраской на основе шпинели путем частичного и полного замещения ионов алюминия в составе МgAl2O4 ионами железа. В качестве эталонной массы изучалась опытная масса состава шпинели без введения красящего элемента, которая после обжига характеризовалась белым цветом.

Для получения железосодержащих пигментов были проектированы 6 составов опытных масс с общей формулой (Mg Al 2-Х, Fe Х O4) с заменой алюминия на железо, где значение х варьировалось от 0,3 до 2,0. Составы опытных масс приведены в таблице 1.

Все сырьевые компоненты высушивались при 1100С до постоянного веса. Исходные компоненты взвешивались на аналитических весах, шихту перемешивали сухим или мокрым способом в дистиллированной воде с последующим переводом массы в сухое порошкообразное состояние. Синтез пигментов осуществляли путём реакции в твердой фазе при температурах 700-11000С ±250С. Время выдержки при максимальной температуре обжига составляло 45-60 минут.

В таблице 2 приводятся основные цветовые данные железосодержащих пигментов, обожженных при различных температурах. 

Таблица 1.

Составы железосодержащих пигментов на основе шпинели

состава

Формула

Содержание компонентов, %

MgO

Fe2O3

Al2O3

1

МgAl2O4

28,16

-

71,83

2

MgAl1,7Fe 0,3 O4

26,49

15,89

57,40

3

MgAl1,5Fe 0,5 O4

25,64

25,64

48,71

4

MgAl1,0Fe 1,0 O4

23,39

46,78

29,82

5

MgAl0,5Fe 1,5 O4

21,56

64,69

13,74

6

MgFe 2 O4

20,00

80,00

-

 

Таблица 2.

Цветовые данные железосодержащих пигментов, обожженных при различных температурах обжига

Состава

Формула

Температура обжига 0С

750

800

1000

1100

1

МgAl2O4

Белый

Белый

Белый

Белый

2

MgAl1,7Fe0,3O4

Желто-розовый

Желто-розовый

Бледно-коричневый

Бледно-коричневый

3

MgAl0,5Fe1,5O4

Темно-розовый

Светло-красный

Бледно-красный

Светло-коричневый

4

MgFe2O4

Насыщенно- красный

Красный

Светло-коричневый

Коричневый

 

Полученные данные показывают, что при частичной и полной замене алюминия на железо образуются пигменты розово-коричневых оттенков от жёлто-розового до тёмно-коричневого цветов. Цвет пигмента существенным образом зависит как от состава, так и от температуры обжига сырьевой шихты.

Пигменты, обожженные при невысоких температурах характеризуются больше розово-красными оттенками, причем, при увеличении температуры обжига их цвет меняется от красного на коричневый с некоторым пропаданием яркости оттенка. При температуре 11000С красный оттенок полностью пропадает и цвет пигмента становится светло коричневым или коричневым.

По экспериментальным данным для получения красного пигмента с яркой окраской достаточна невысокая температура обжига (700-7500С), однако, при этих условиях возможно еще не наблюдаются процессы изоморфных замещений элементов в кристаллической решетке шпинели. Из числа изученных составов наиболее насыщенными цветами обладает состав №4 с полным замещением ионов алюминия на железо. Его принимаем за оптимальный.

В таблице 3 приводятся физико-технические свойства железосодержащего пигмента оптимального свойства. 

Таблица 3.

Физико-технические свойства железосодержащего пигмента оптимального состава

Керамический
пигмент

Цвет

Термическая устойчивость, 0С

Плотность, г/см3

Химическая стойкость,%

4% р-р СН3 СООН

4% р-р

Na2СО3

1

Исходный

Белый

1200

2,65

95,5

96,1

2

Железосодержащий

Коричневый

1100

2,61

94,7

97,1

 

Приведенные данные свидетельствуют о том, что путем замены ионов алюминия на железо в структуре шпинели можно получить керамические пигменты с достаточной температурной и химической стойкостью. Пигменты коричневого цвета при этом устойчивы до 11000С, химическая стойкость такого пигмента в отношении уксусной кислоты составляет 94,7% , а щелочеустойчивость равняется 97,1 %.

Для изучения физико-химических процессов, сопровождающих синтез пигментов из опытных составов шихты с участием производственных отходов нами были использованы методы термографического, рентгенографического и спектрофотометрического исследования.

На рисунке 1. приводятся термограммы исходного состава без введения железа, который соответствует теоретическому составу шпинели ( а) и состава №6 с полной заменой алюминия на железо (б ).

 

Рисунок 1. Термограммы сырьевых смесей: а-состава № 1, б-состава № 6

 

На кривой нагревания исходной шихты (рис.1. а) обнаружены семь эндотермических эффекта при 120,158, 250, 348, 375, 392, 7150С, и семь экзотермических эффектов при 322, 415, 925, 432, 603 и 6500С. Общая потеря массы в диапазоне температур 60‑9000С по кривой термогравиметрии составляет 9,57%. Появление эндотермических эффектов можно связать с реакциями выделения остаточной влаги и процессами разложения сырьевых компонентов. Экзотермические эффекты в области 600‑6500С, по-видимому, являются следствием фазовых изменений в системе.

На кривой нагревания образца № 6 (рис.1 б) обнаружены десять эндотермических эффектов при 110,122, 152, 194, 219, 352, 363, 395, 403, 4230С и пять экзотермических эффектов при 303, 482, 613, 677 и 7220С. Общая убыль массы в диапазоне температур 80-9000С по кривой термогравиметрии составляет 5,01%. Характер появления эндоэффектов остается прежней, а экзотермические эффекты в области выше 4000С становятся более выразительными. При этом появляется экзотермический эффект при 7220С. Общая потеря массы снижается от 9,57% до 5,01%. Изменения в дифференциальной кривой шихты свидетельствует об интенсификации физико-химических процессов в системе при замене алюминия на железо. Появление экзотермического эффекта при 7220С извещает о начале фазовых изменений, ведущих к образованию структуры шпинели.

На рис.2 приводится рентгенограмма состава №1 соответствующая теоретическому составу шпинели, обожженная при 13000С. В ней обнаружены деформационные максимумы, относящиеся к MgO (0,234; 0,217; 0,143 нм), a-Al2O3 (0,254; 0,208; 0,1741; 0,1519; 0,1378 нм) и шпинели (0,280; 0,268; 0,240; 0,1882; 0,1693; 0,1626; 0,1585; 0,1496; 0,1415 нм). Наличие рефлексов MgO и a-Al2O3 свидетельствует о незавершенности процесса синтеза шпинели при температуре обжига 13000С.

 

Рисунок 2. Рентгенограмма состава № 1 (исходный)

 

На рентгенограмме состава №6 при полной замене алюминия на железо (рис.3.) при температуре обжига 7500С сохранены рефлексы, отражающие исходные компоненты, т. е. гематит Fe2O3 с дифракционными максимумами 0,268; 0,250; 0,219; 0,182; 0,168; 0,160; 0,147; 0,144; 0,131 нм и периклаз MgO с 0,242; 0,210; 0,149 нм. На рентгенограмме шпинеле­подобной структуры еще нет. Это говорит о том, что при 750 0С ещё не наблюдаются реакции образование шпинелевой фазы, где место ионов Al в кристал­лической решетке занимают ионы Fe.

 

Рисунок 3. Рентгенограмма состава № 6 (MgFe2O4 ) после обжига при 7500С (1) и при 11000С (2)

 

В продуктах обжига состава №6 при температуре 11000С (рис.3), на рентгенограмме появляются дифракционные максимумы, свойственные железистой шпинели т. е. магнезиоферриту MgFe2O4 с 0,295; 0,251; 0,249; 0,206; 0,167; 0,159; 0,146; 0,1088 нм, что свидетельствует о протекании процессов ионообменных замещений в решетке шпинели с образованием нового минерала как магнезиоферрит MgFe2O4. Однако, на рентгенограмме также сохранены рефлексы еще не прореагировавшихся компонентов как MgO и Al2O3.

Таким образом, по данным рентгенографического анализа, реакции изоморфного замещения железа на алюминий в железосодержащих пигментах, полученных на основе производственных отходов протекают в условиях обжига при температуре 11000Сс образованием новой кристаллической фазы как магнезиоферрит со структурой шпинели, при этом цвет пигмента меняется из ярко красного на коричневый цвет.

Для определения цветовых характеристик полученных пигментов нами были сняты спектры отражения синтезированных пигментов.

 

   

Рисунок 4. Спектры отражения белого пигмента (состав № 1) и цветного пигмента (состав № 6)

 

Высокое значение коэффициентов отражения пигмента состава №1 (~50%) свидетельствуют о светлости тона пигмента. Рассчитанные значения цветовых характеристик, приведенные в таблице 4, соответствуют белому цвету. На спектральной кривой пигмента состава №6 с полной заменой алюминия и железо имеется область, соответствующий подъему кривой в районе 700 нм и выше с коэффициентом отражение 20-30%, что соответствует оранжево-красной окраске со средним насыщением тона, значения координатов цветности полученного пигмента приведены в таблице 4. 

Таблица 4.

Цветовые характеристики пигментов

№ состава

Координаты цвета и цветности

x

y

z

X

Y

Z

1

10,84

11,91

8,56

0,346

0,380

0,273

6

18.01

17.86

19.48

0.486

0.354

0.512

 

Полученные керамические пигменты с высокой термической и химической стойкостью с красно-коричневой окраской были опробованы на стадии декорирования майоликовых плит при производстве строительных декоративных материалов в промышленных условиях ООО «Азия Мозаик».

 

Список литературы:
1. Абдурахманов А.К., Мкртчян Р.В., Алимджанова Д.И., Мадиев Р.Х., Исматов А.А. О возможности примене-ния отработанного катализатора производства полиэтилена ШГХК в качестве глиноземистой добавки в составе огнеупора // Жур.Кимё ва кимё технологияси. – 2005, № 1. – С. 15-18.
2. Патент на изобретение .Агентство по интеллектуальной собственности Республики Узбекистан. № IAP 05475 Зарегистрирован в реестре изобретений Республики Узбекистан 26.09.2017.
3. Масленникова Г.Н., Пищ И.В. Керамические пигменты. М: РИФ Стройматериалы. 2009.-240 с.
4. Масленникова Г.Н. Пигменты шпинельного типа // М.: Ж.Стекло и керамика №6, 2001 г. с.19-20.

 

Информация об авторах:

Алимджанова Джонон Исматовна Jonon Alimjanova

канд. хим. наук, доцент, Ташкентский химико-технологический институт, 100011, Узбекистан, г. Ташкент, ул. Навои 32 

candidate of chemical sciences, associate professor, Tashkent Institute of Chemical Technology, 100011, Uzbekistan, Tashkent, Navoi 32


Шамуратова Шахида Мирсагатовна Shakhida Shamuratova

канд. техн. наук, доцент, Ташкентский химико-технологический институт, 100011, Узбекистан, г. Ташкент, ул. Навои 32

candidate of technical sciences, associate professor, Tashkent Institute of Chemical Technology, 100011, Uzbekistan, Tashkent, Nawoi 32


Косымов Умид Уролович Umid Kosimov

магистр, Ташкентский химико-технологический институт, 100011, Узбекистан, г. Ташкент,ул. Навои 32 

master student, Tashkent Institute of Chemical Technology, 100011, Uzbekistan, Tashkent, Navoi str. 32


Читателям

Информация о журнале

Выходит с 2013 года

ISSN: 2311-5459

Св-во о регистрации СМИ: 

ЭЛ №ФС77-55878 от 17.06.2013

ПИ №ФС77-66239 от 01.07.2016

Скачать информационное письмо

Включен в перечень ВАК Республики Узбекистан

Размещается в:

doi:

The agreement with the Russian SCI:

cyberleninka

google scholar

Ulrich's Periodicals Directory

socionet

Base

ROAR

OpenAirediscovery

CiteFactor

 

Поделиться

Лицензия Creative CommonsЯндекс.Метрика© Научные журналы Universum, 2013-2019
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Непортированная.