0312 90 68 58
    info@topnews.kg
    Славим Человека Труда
     

    Апышев Муратбек: Занимайтесь тем, что делает вас счастливыми

    Герой рубрики – молодой и талантливый архитектор, человек, которому доверяют реализовать крупные и очень ответственные проекты. Апышев Муратбек - основатель архитектурно-дизайнерской студии ArtProject Он – типичный self-made man, проделавший путь от рядового архитектора до владельца собственной компании. История его личного успеха – это пример того, как человек из самой обычной семьи «эволюционным путем» сделал себя сам. Стремление преодолевать барьеры и смело идти к намеченной цели у него в крови.

    0 Читать далее
    Стильnews - Сериал
     

    Когда цветет сирень.Сериал (57 серия)

    Все имена и персонажи вымышлены, любое сходство следует считать случайным. Она улыбается нам с экранов телевизоров. Ее лицо сияет на обложках всех газет и журналов. Она лучшая модель – пример самой успешной женщины Кыргызстана. Но каков был путь на вершину успеха и славы?

    0 Читать далее

    Архив Новостей

    Новости - Научные статьи

    Использование лидитов Кыргызстана в качестве природного огнеупорного и химически стойкого материала

    Использование лидитов Кыргызстана в качестве природного огнеупорного и химически стойкого материала
    28 06 2015 13:23

    ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛИДИТОВ КЫРГЫЗСТАНА В КАЧЕСТВЕ ПРИРОДНОГО ОГНЕУПОРНОГО И ХИМИЧЕСКИ СТОЙКОГО МАТЕРИАЛА

     

    Имя

     

    Тузова Ольга Леонидовна 

    Институт фундаментальных наук Кыргызского Национального университета

    им. Ж. Баласагына, к.ф.м.н., ведущий научный сотрудник

     

     

     

     

     

    Ключевые слова: лидит, огнеупоры, химически стойкие материалы, α-кварц.

    Объект исследования: лидиты Кыргызстана.

    Цель работы: определение структуры природных лидитов Кыргызской Республики для объяснения особенностей их механических и тепловых свойств при обычных и повышенных температурах, установления возможного их использования в качестве безотжиговых огнеупорных и химически стойких материалов.

    Методы исследования: микроскопия, микрозондовый, рентгенофлуоресцентный и рентгенофазовый анализы, ИК-спектроскопия.

    Научная новизна: Впервые определены фазовые, структурные и основные примесные составляющие лидитов Кыргызской Республики, определяющие их специфические физико-химические свойства. Рассмотрены изменения указанных составляющих при термическом воздействии. Аномально низкое тепловое расширение лидитов объяснено на основе представлений об особенностях процессов структурных превращений, связанных с наличием в них высокодисперсного углерода. На такой основе возможна разработка новых типов материалов с прогнозируемыми значениями коэффициента теплового расширения. Разработана методика выжигания углерода из матрицы кварца, позволившая установить размеры оставшихся пустот и проводить пропорциональную замену выжженного углерода на серебро для определения поверхностного распределения углеродных глобул по результатам рентгенофлуоресцентного анализа. Впервые выявлена высокая химическая стойкость лидитов к различным агрессивным средам (Патент КР №1410). Впервые обнаружено наличие депрессоров (замедлителей) фазовых переходов кварца в лидитах. К их числу отнесены сера и ванадий. Доказана возможность применения лидитов в качестве безотжигового природного огнеупора и химически стойкого материала. 

    Область применения: металлургия, строительство, лакокрасочная промышленность, коммунальное хозяйство.

     

    В сегодняшней непростой экономической ситуации Правительством Кыргызской Республики определены приоритеты развития науки в стране. К ним, несомненно, относятся энерго- и ресурсосберегающие технологии, создание и использование новых материалов в промышленности. В связи с этим возникла необходимость исследования возможности применения местных природных материалов, в частности, в качестве огнеупоров. Задачей настоящего исследования является расширение арсенала огнеупорных материалов типа динаса и снижение вредного влияния на экосистему при производстве огнеупоров. Применение лидита в качестве огнеупора позволит исключить энергоёмкую технологию, получать готовые к использованию огнеупорные изделия, материал которых отвечает ГОСТу на динас, тотчас после распиливания непосредственно на месторождении в горных условиях с минимальным ущербом природе. Лидит относится к высокотемпературной керамике и может быть использован для изготовления огнеупоров.

    Среди приоритетов экономического развития во всех цивилизованных странах ведущее место занимают проблемы экологии и сохранения биоразнообразия. В решении этих проблем на первый план выходит замена экологически вредных производств новыми технологическими схемами, сводящими к минимуму ущерб, наносимый природе. Зачастую это связано с усложнением технологического процесса, строительством очистных сооружений, разработкой сложных программ энергосбережения и, как следствие, значительным удорожанием производства. Рассмотрена возможность и целесообразность получения огнеупоров и химически стойких изделий из природных лидитов Кыргызстана, при котором сводится к минимуму вредное влияние на экосистему и значительно удешевляется производственный процесс.

    Лидиты Кыргызстана, запасы которых исчисляются миллионами тонн, обладают высокой прочностью, химической стойкостью, аномально низким коэффициентом теплового расширения при высоких температурах. Выпиливание из лидитов изделий нужной конфигурации без прокалки и их использование в качестве готового огнеупорного продукта (кирпич, плитка, блок и др.), позволили бы Кыргызстану выйти на мировой уровень производства безотжиговых огнеупоров типа динаса, химически стойких покрытий, пигментов для огнеупорных красок и лаков, декоративных покрытий высокого качества, абразивных материалов и т.д.

    Однако до настоящего времени не изучены физико-химические свойства и структурные особенности лидитов, в частности, их основной фазы - α-кварца в присутствии углерода. По-видимому, именно эти особенности приводят к необычным тепловым свойствам и высокой химической стойкости, проявляющимся у лидитов. Следовательно, установление механизма влияния углерода и других факторов на структурные превращения и свойства лидитов, выполненные в данной работе, достаточно актуальны. Полученные результаты позволяют теоретически обосновать и рекомендовать применение лидитов в промышленности. Их использование исключит обычную энергоёмкую производственную технологию получения огнеупоров. Готовые к использованию огнеупоры и химически стойкие изделия можно будет получать путём распиливания породы непосредственно на месторождениях в горных условиях с минимальным ущербом для природы.

    Работа выполнялась в рамках утверждавшегося Правительством Кыргызской Республики 13.08.2003 г. приоритетного направления научных исследований «Минеральные и водные ресурсы» и направления «Энерго- и ресурсосберегающие технологии», рекомендованного Министерством образования и науки КР 11.11.2011 г. Це

    Целью работы явилось определение структуры природных лидитов Кыргызской Республики для объяснения особенностей их механических и тепловых свойств при обычных и повышенных температурах, установления возможного их использования в качестве безотжиговых огнеупорных и химически стойких материалов. Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:

    1. Выявить особенности фазового состава, структуры лидитов, отличающие их от других сланцевых кремнезёмов и объясняющие их основные свойства, в частности, аномально низкое тепловое расширение при высоких температурах.

    2. Определить влияние примесного состава на свойства лидитов, в частности, на существенное замедление процесса полиморфных превращений в кварце.

    3. Установить распределение углерода в матрице оксида кремния и его влияние на свойства лидитов.

    4. Рекомендовать область возможных применений местных лидитов в качестве природных огнеупорных материалов.

    5. Определить степень химической стойкости лидитов к воздействию агрессивных сред (кислот, щелочей и др.) и возможность их использования в качестве химически стойких материалов.

    В ходе исследований впервые определены фазовые, структурные и основные примесные составляющие лидитов Кыргызской Республики, определяющие их специфические физико-химические свойства. Рассмотрены изменения указанных составляющих при термическом воздействии.

    Аномально низкое тепловое расширение лидитов объяснено на основе представлений об особенностях процессов структурных превращений, связанных с наличием в них высокодисперсного углерода. На такой основе возможна разработка новых типов материалов с прогнозируемыми значениями коэффициента теплового расширения.

    Разработана методика выжигания углерода из матрицы кварца, позволившая установить размеры оставшихся пустот и проводить пропорциональную замену выжженного углерода на серебро для определения поверхностного распределения углеродных глобул по результатам рентгенофлуоресцентного анализа.

    Впервые обнаружено наличие депрессоров (замедлителей) фазовых переходов кварца в лидитах. К их числу отнесены сера и ванадий.

    Доказана возможность и целесообразность применения лидитов Кыргызстана в качестве практически готового природного динасового огнеупора и химически стойкого материала. Запасы местных лидитов с их оригинальными физико-химическими свойствами позволяют Кыргызстану наладить производство огнеупорной и стойкой к воздействию агрессивных кислотно-щелочных сред продукции с минимальным нанесением экологического ущерба и незначительными энергозатратами. Появится реальная возможность для выхода на мировой рынок огнеупоров и химически стойких материалов с конкурентоспособным по цене и качеству продуктом. Химическая стойкость лидитов подтверждена Патентом КР №1410 от 30 ноября 2011 года.

    Разработанная методика удаления углерода из основной структурной составляющей лидитов – кристаллической матрицы кварца может быть использована для получения новых типов катализаторов и пористых структур, которые найдут широкое применение в качестве фильтрующих элементов.

    Экономическая значимость полученных результатов определяется значительным удешевлением производства огнеупорных изделий, не уступающим по свойствам классическим динасам.

    Исследования образцов лидита проведены с использованием методов рентгенофазового, рентгеноспектрального и рентгенофлуоресцентного анализов, оптической спектрометрии, ИК-спектроскопии, термического, химического анализов, оптической и электронной микроскопии.

    Проведён обзор основных этапов изучения классических динасовых огнеупоров, особенности их производства, назначение и области примениения. Рассмотрены теоретические предпосылки использования лидитов в качестве огнеупорного и химически стойкого материала с точки зрения структурных особенностей и химического состава. Обобщены данные о влиянии примесей на модификационные превращения оксида кремния. Обозначены схожесть и различия  полиморфных превращений оксида кремния при термообработке динасовых огнеупоров и лидитов:

    Рассмотрено изучение физико-химических, огнеупорных свойств структуры лидитов Кыргызстана. Проведено изучение макро- и микроструктуры лидита методом оптической  микроскопии. Под разными углами прохождения лучей света сквозь тонкий геологический шлиф образца лидита обнаружены различные кристаллические модификации кварца. Хорошо выявляется структура кристаллов кварца, в которых не присутствует углерод (рис.1).

    Имя

    Рис.1. Шлиф образца лидита толщиной 0,1 мм, снятый на просвет (х80).

     

    Установлено, что основная часть углерода сконцентрирована в тридцати процентах кварцевой породы и составлять в них от 3 до 4%. Остальная часть, небогатая углеродом, имеет серый цвет и содержание графита в ней невелико. Также имеются совершенно не содержащие углерод прослойки кварцита. Кварцевая порода обогащена углеродом послойно, причём слои и сгустки имеют размеры от 0,01 до 0,05 мм. Слои обогащённого углеродом кварца группируются в параллельные прослойки с намечаемой слоистостью (рис.2).

    Имя

    Рис.2. Геологический шлиф образца лидита толщиной 0,1 мм, снятый на просвет (х80).

     

    Таким образом, кварц содержится в двух разновидностях. Кварц-1 находится в тесном срастании с графитовым веществом и образует тонкозернистую холцедоновидную массу серого цвета с размером зёрен менее 10 мкм. Зёрна кварца имеют вытянутую в одном направлении форму. Кварц-2 (вторичный) заполняет трещины катакализа, которые секут породу в различных направлениях. Он также встречается в виде обособлений и гнёзд неправильной и изометричной формы. Толщина прожилок варьируется от 20 до 100 мкм. Кварц имеет изометричные очертания и волнистые зубчатые границы. Размер зёрен от 10 до 200 мкм.

    Воздействие различных направлений луча света в микроскопе выявляет скрытую структуру. На рис. 3 а) видно лишь кварцевое гнездо катаклаза, а также его линии, которые секут породу. На рис. 3 б) видна также часть кварца с небольшим содержанием углерода серого цвета. Основная же масса всего образца имеет насыщенный черный цвет.

    Имя

     

    Рис.  3. Геологический шлиф образца лидита толщиной 0,1 мм, снятый на просвет (х80).

     

    Доказано, что в лидитах практически отсутствуют крупные поры, поэтому их можно отнести к беспористым огнеупорным материалам динасового класса. Лидиты устойчивы к воздействию кислорода воздуха при температурах до 1200О С. Происходит лишь поверхностное выгорание углерода. При обжиге лидитов до 1200О С (зона активных фазовых переходов) увеличивается крупная пористость за счёт появления микротрещин в зонах прослоек кварца, не содержащих углерод. Появление пористости на всей поверхности можно объяснить выжиганием поверхностного углерода на небольшую глубину.

    Рассмотрено воздействие температуры на лидиты. Для исследования «истинной» плотности (рис. 4) был взят порошок лидита (фракция меньше 0,25 мм). Применялся пикнометрический метод, в качестве заполняющего вещества был выбран гексан. Образцы предварительно прокаливали при различных температурах и хранили в эксикаторе с хлористым кальцием в качестве осушителя.

    Плотность α-кварца, согласно литературным данным, равна 2,65 г/см3, образец исходного лидита, высушенный при 105О С имеет плотность 2,55 г/см3, что уже говорит о «раздутости» структуры или наличии пористости. Это в свою очередь компенсирует расширение образцов примерно на 4%. При прокалке до 600О С плотность плавно уменьшается (медленное расширение образца), с 600 до 800О С изменение плотности более резкое,  далее до 1200О С отмечается её незначительное уменьшение. Максимальное увеличение объёма образца происходит в интервале от 600 до 850О С (рис.4).  В этом интервале устойчива тридимитная фаза с плотностью 2,28 г/см3, но по-видимому, её образуется чрезвычайно малое количество (или вообще не образуется). 

    Имя

     

    Рис. 4. Зависимость плотности порошка лидита от температуры предварительной прокалки (фракция 0,25 мм), гексан.

     

    Возможно происходит классический переход в кристобалит с плотностью 2,32 г/см3. Тем не менее таких низких плотностей в эксперименте не зафиксировано: плотность и близко не подходит к отметке 2,4 г/см3 и находится около значения 2,5 г/см3. Общее изменение «истинного» объёма составляет 2,8 %, а для массивных тел ещё меньше.

    Исследование лидита спектральным методом показало наличие в образцах практически чистого оксида кремния с незначительным количеством оксида алюминия (порядка 0,1%), а также примесных количеств оксидов других элементов Мо, V, Pb, Cr, Ва и др. порядка 10-2 - 10-3 %. Железо определялось эпизодически только в некоторых прослойках кварцита, в массе лидита оно отсутствует. Поэтому при рассмотрении свойств лидита учитывалась возможность образования фаз, содержащих алюминий и углерод. Другие примеси можно учитывать как каталитические. Определение фазового состава лидитов было проведено с помощью метода рентгенофазового анализа. Полученные результаты и их сравнение с данными для основных известных модификаций оксида кремния приведены в табл.1.

     

    Таблица 1 - Результаты рентгенографии лидита

    о

    I, мм

    sin ϴ

    d, Å

    I, %

    1

    24,2

    48

    0,2096

    4,27

    21

    2

    30,9

    227

    0,2664

    3,35

    100

    3

    42,6

    27

    0,3633

    2,46

    12

    4

    46,1

    35

    0,3915

    2,29

    15

    5

    47,0

    17

    0,3987

    2,24

    7

    6

    49,6

    25

    0,4195

    2,13

    11

    7

    53,7

    15

    0,4517

    1,98

    6

    8

    58,8

    60

    0,4909

    1,82

    26

    9

    64,7

    21

    0,5351

    1,67

    9

     

    Рентгенограмма снята на кобальтовом Кα- излучении с длиной волны 1,7902 Å.

    Согласно рентгенофазовому анализу, лидит представляет собой оксид кремния модификации α-кварца. Плотность лидита не достигает плотности α-кварца, что говорит о «раздутости» структуры. При прокалке до 600О С плотность плавно уменьшается (медленное расширение образца), с 600 до 800О С изменение плотности более резкое,  далее до 1200О С отмечается её незначительное уменьшение. Максимальное увеличение объёма образца происходит в интервале от 600 до 850О С. Общее изменение «истинного» объёма составляет 2,8 %, а для массивных тел – порядка 0,5%.

    Представлены результаты исследования химического состава и некоторые особенности структуры лидита. Исследование образцов лидита при помощи оптической микроскопии после травления плавиковой кислотой выявило необычную особенность его строения. Вытравливание части оксида кремния вскрывает внутреннюю структуру и обнажает чёрные углеродсодержащие частицы, возможно, скопления углерода (размерами 6 мкм и менее). Видна основная матрица α-кварца, перемежающаяся с углеродом. Наблюдались игольчатые сростки, на изучении которых мы остановились отдельно. Такие же, но большего размера, иглы наблюдаются на границе перехода от углеродсодержащих участков к белому кварциту (рис.5.).

    Имя

    Рис.5. Лидит: граница перехода от углеродсодержащих участков к белому кварциту. Обработка 50% HF, 1 мин (х500).

     

    Подобная игольчатая структура характерна для кристобалита, который является высокотемпературной модификацией оксида кремния и не характерна для природных кварцитов. Рентгенофазовый анализ однозначно показывает наличие α-кварца, который является низкотемпературной модификацией. Наличие таких структур, наряду с другими факторами, объясняет причину аномально низкого расширения лидитов при высокотемпературном воздействии. Причинами, по которым имеющиеся в наличии сростки кристобалита не определяются рентгенофазовым анализом, могут быть малое содержание фазы или особая рентгеноаморфная фаза метакристобалита. Обычно метакристобалит переходит в игольчатый кристобалит или в тридимит. Переход в тридимит означал бы большое увеличение объема, что не наблюдается. Следовательно, наличие углерода и отсутствие минеральных примесей задерживает процесс тридимидизации.

    Пониженное значение коэффициента объёмного расширения лидита, в сравнении с обычным α-кварцем, объясняется нами отсутствием фазовых переходов в тридимит, а также тем, что объёмное расширение при образовании кристобалита компенсируется рядом структурных и химических факторов.

    Спектральный анализ образцов показал следующее содержание примесей: Ве – 2,3 .10-3 %, Pb - 4.10-3 %, Cu – 10.10-3 %,Ag – 1,18.10-3 %,Co – 2.10-3 %, Ni – 23,3.10-3 %, V - 4.10-3 %, W – 0,2.10-3 %, Cr – 21.10-3 %, Ва - 4 Sr - 1.10-3 %. Содержание углерода в образце 1-1,2%, что соответствует наиболее часто встречающемуся содержанию углерода в лидитах (1-2%).

    Для проведения рентгенлфлуоресцентного анализа (РФА) использовали образцы полированного лидита, обработанные плавиковой кислотой; образцы, обработанные расплавом нитрата серебра; образцы природного кварца (без углерода); образцы неполированного лидита; углерод, добытый из лидита методом вытравливания плавиковой кислотой и смесью плавиковой кислоты с раствором солей бария.

    Анализ графиков, построенных по результатам РФА, позволил сделать вывод о том, что кварц содержит на порядок меньше алюминия, примерно такое же количество кальция и серы, и совершенно не содержит ванадия (в отличие от лидита). Природный кварцит наиболее близок по составу, но сильно отличается  по термическим свойствам  и химической стойкости от лидита.

    Нормировка образцов по шероховатости поверхности и рассеянию дала следующие результаты: полированные и травленные образцы имеют нормировку равную примерно 88%; сколотые, нетравленые и необработанные образцы, как лидита, так и кварца, дают нормировку равную 90%; хорошо отполированные образцы – 97%. Это означает, что поверхностное травление и поверхностное изменение свойств наиболее сильно сказываются на коэффициенте нормировки образца, что в свою очередь обусловлено небольшой глубиной проникновения анализирующего излучения в глубину (обычно глубина составляет 0,1 мм).

    Серы как в кварце, так и в лидите присутствует в количестве примерно 0,1%, но при травлении образцов плавиковой кислотой количество определяемой серы возрастает примерно в три раза. В неполированном образце её содержание также повышено. Это объясняется тем, что сера в лидите может находиться не только в виде кислотных остатков – сульфатов, но и в элементарном виде, причём сконцентрирована она в углероде. Элементарная сера в обычном кварце не содержится и может находиться там только в виде сульфатов.

    Особые свойства лидита по данным РФА можно объяснить наличием алюминия, содержащегося в количестве на порядок выше, чем в природном кварце. Калия - в 3-5 раз больше, чем в кварце. Особое место занимает оксид ванадия, который совершенно не обнаруживается в кварцитах. Возможно его действие заключается в нейтрализации вредного влияния кальция и калия и их каталитического действия при переходе α-кварца в тридимит. Это свойство оксида ванадия диктуется кислотными свойствами его оксида, который к тому же является летучим соединением при температурах больше 600О С. Если сера может нейтрализовать кислотные свойства при температурах до 900О С, то при более высоких температурах эти свойства уже не проявляются и только синергизм совместного воздействия с оксидом ванадия может объяснить отсутствие тридимитного преобразования.

    При изучении ИК-спектрограмм лидитов установлено наличие двуокиси кремния во всех образцах кварца, лидита природного и прокаленного при 1200О С. Карбиды кремния и монооксид кремния не обнаруживаются, следовательно, указанные соединения образуются в лидитах при температурах выше 1200О С. При термообработке происходит графитизация углерода в лидите (рис.5.)

    Имя

     

    Рис. 6. ИК спектры 1) кварца; 2) лидита; 3) лидита, прокаленного при 1200О С; 4) углеродистого остатка после травления лидита плавиковой кислотой.

    В углеродистом остатке лидита, состоящего на 40% из углерода и на 60% из смеси пластинчатых и игольчатых кристаллов, после травления плавиковой кислотой обнаруживаются линии Si-O-Ме. Это можно интерпретировать как концентрирование в остатке углерода и устойчивых силикатов, в том числе силиката алюминия.

    Углерод в лидите исследовали с помощью электронной микроскопии. На снимках видны вкрапления углерода в виде тёмных пятен и светлые «ореолы» рассеивания электронов вокруг этих тёмных пятен за счёт нарушения структуры оксида кремния в прилежащих слоях. Наиболее крупные по размерам углеродные частицы имеют более обширную зону структурных изменений вокруг этих частиц (рис.7 а). При меньшем увеличении (х100) углеродные частицы плохо видны - заметны только белесые части рассеивания электронов (рис.7 б).

    Имя

    а)                                                                                             б)

    Рис. 7. Поверхность полированного лидит а-х460; б-х100.

     

    Углерод, остающийся в результате травления лидита плавиковой кислотой,  содержит и неорганическую часть кристаллов, которые плохо вытравливаются. На снимке (рис.8 а) прослеживается неоднородная структура углеродного остатка. Более чётко эта неоднородность видна при большем увеличении (рис.8 б). Видны тёмные углеродистые образования и на их фоне чётко выявляются игольчатые структуры предположительно силикатов алюминия, покрытых тонким слоем самого мелкодисперсного углерода, который задаёт электропроводность поверхности образцов. 

    Имя

    а)                                                                                             б)

    Рис. 8. Углеродно-примесный остаток после травления лидита кислотой HF: а-х40; б-х230.

     

    Электронномикроскопическое микрозондирование образцов лидита, специально подготовленных методом карбидизации железа, нанесённого магнетронным напылением на поверхность образцов, и сканирование поверхности с золотым напылением для выявления структурных особенностей поликристаллов лидита были проведены в Московском государственном университете им.М.В.Ломоносова с помощью электронно-зондового микроанализатора JED-2300 Analisis Station (JEOL, а также сканирующего микроскопа T-100 (JEOL). Целью данных исследования является установление структуры дефектов лидитовых образцов.

    На рис.9. приведены электронномикроскопические фотографии поверхности образцов полированного лидита без какой-либо предварительной обработки.

    Имя

    а)                                                                                             б)

    Рис.9. Исходный лидит без металлического напыления а) х5000; б) х2000.

    Видна структура поверхности, но выделить по снимкам какие-либо различия в распределении углерода не представляется возможным из-за слабого контрастирования таких образований.

    Для получения сведений о распределении углерода мы предположили, что углеродные конгломераты  можно отконтрастировать путём получения карбида железа. Напыление плёнки металлического железа на полированную поверхность лидитовых образцов проводили с помощью магнетрона в среде аргона при давлении 10-1 Па при напряжении 1000 В. При напылении температура поверхности повышалась до 200-300ОС, но нагрев в глубину был незначителен. Поэтому образование кристаллов карбида железа не происходило, а возможно было лишь образование тонких диффузионных слоёв между железом и подложкой. Железо обеспечивало также наличие на поверхности электропроводного слоя, который позволяет вести исследования на сканирующем электронном микроскопе с зондовым анализатором.

    На электронномикроскопических фотографиях (рис.10.) слабо просматриваются элементы рельефа поверхности и наличие углерода не сильно выявляется, что означает слабое взаимодействие железа с углеродом подложки. Данные зондирование характерных участков подтверждают наличие углерода в поверхностном слое, но не дают возможности визуализировать его распределение по плоскости шлифа. 

    Имя

    а)                                                                                             б)

    Рис. 10. Лидит с поверхностно напылённым железом без прогрева: а-х3500;

    б-х10000.

    Для исследования поверхности использовали также классическое напыление тонкого слоя золота. При этом микроанализатор настраивали на вычитание характеристических пиков золота. В этом случае результатом микрозондового анализа были данные для исходной поверхности лидитового образца. Для проверки возможности получения металлических включений в поверхность лидита методом обмена ионов металла на углерод нами было проведено электронномикроскопическое исследованиие обработанного смесью солей металлов образца с последующим золотым напылением.

    Имя

    Рис.11. Лидиты с поверхностно напылённым золотом: а)х1000; б)х15000.

    После напыления золотом удаётся поднять степень увеличения до 15000 и хорошо рассмотреть дефекты структуры на поверхности образцов. Распределение углерода по образцу можно определить с помощью микрозондового анализа. К сожалению, выбрать точку для анализа в данном случае можно только наугад, потому что распределение углерода по поверхности остаётся не визуализированным.

    В результате микрозондового анализа установлено, что углерод распределяется в лидите в молекулярном виде, а также концентрируется в форме зёрен или гнёзд между слоями оксида кремния. Активность углерода в образцах неравномерна по поверхностному сколу, так как обмен с солями металлов происходит в областях скола лидита избирательно.

    Для определения формы и размеров зёрен углерода, входящего в состав лидита, полированные образцы обрабатывали двухпроцентным раствором нитрата серебра при температуре 98О С в течение 10 минут. При этом углерод хорошо сорбирует нитрат серебра и после промывки в дистиллированной воде и спирте не успевает десорбироваться. Нагрев до температуры 150О С приводит к частичному преобразованию нитрата серебра в частицы металла, по форме и размерам соответствующие скоплениям углерода.

    Некоторые зоны лидитового образца имеют высокую концентрацию углерода (рис.12), который распределен по поверхности в виде «змеек» и ломанных линий (рис.13). Выделенная зона (рис.12) соответствует усредненной концентрации серебра 0,41%. 

    Имя

    Рис.12. Лидит с углеродными включениями, отконтрастированными с помощью химического обмена на серебро.

    Светлые зоны на рисунке соответствуют высокому содержанию серебра и, соответственно, углерода. 

    Имя

    Рис.13. Участок лидита с высоким содержанием углерода, распределенным в виде «змеек» или прослоек.

     

    На рис.13. видно, что в матрице оксида кремния лидита с высоким содержанием углерода, последний распределен неравномерно. Возможно углерод в обозначенной зоне выходит на поверхность перпендикулярно ей в виде слоистых структур неправильной формы в виде «змеек» и ломанных линий, толщина которых колеблется в интервале от 10 до 0,8 мкм.

    Более темные участки (рис.14.) представляют собой микрозоны с малым содержанием углерода. Распределение углерода на этих участках имеет форму круглых образований в виде «бляшек» или точек. Размер этих образований – от 2 до 0,3 мкм и менее. 

    Имя

    Рис. 14. Участок лидита с низким содержанием углерода, распределенным в виде «бляшек» и точек.

    Микрозондовый анализ точечных углеродных образований показал содержание серебра в них около 12%. Содержание серебра в «змейках» - около 47%. Темные (на фотографиях) участки имеют содержание серебра 1,4%. Предполагая, что обмен углерода на серебро идет путем восстановления нитрата до металлического серебра (формула 1), процент углерода в данных участках должен быть меньше в шесть раз.

    2AgNO3 + 3C = 2Ag + N2 + 3CO2   (1)

    В таком случае содержание углерода в рассматриваемых зонах соответствовало бы в точках – 2%, в змейках – 8%, темные участки – 0,2%. В действительности же не весь углерод преобразуется в серебро. Самый большой коэффициент преобразования (до 100%) возможен на темных участках. Самый низкий коэффициент преобразования (около 20%) – в «змейках» и больших «бляшках». Необходимо учитывать и то, что микрозондовый анализ определяет не только состояние поверхности образца, но и анализирует углерод, который находится в глубине и не преобразован в серебро ввиду недоступности химической обработке, идущей по реакции, описанной формулой 1.

    На основании вышесказанного можно сделать вывод, что углерод при обработке не полностью обменивается на серебро, часть его остается в исходном виде. Поэтому точного пропорционального соответствия между концентрацией серебра и углерода не наблюдается, но качественная картина прослеживается достаточно хорошо.

    В результате проведенных исследований выяснено, что наличие углерода является одним из важных факторов, создающих необычные свойства лидита. Выгорание углерода быстро происходит в тонких поверхностных слоях лидита. В основной массе минерала участки с высоким содержанием углерода не связаны друг с другом и имеют форму бляшек или точек. Некоторые области имеют слоистый состав и выходят на поверхность в форме извилистых кривых длиной до 100 мкм и шириной до 10 мкм с содержанием углерода порядка 40-50%. Наличие углерода в массе кускового лидита при высоких температурах тормозит фазовые переходы альфа-кварца в тридимит и кристобалит.

    Углеродный остаток был подвергнут ренгенографическому исследованию на предмет наличия в нем фуллеренов. На основе анализа дифрактограмм углерода лидита в малых углах рассеянья можно предполагать наличие фуллереноподобных структур в лидите, которые могут служить молекулярными ловушками при сорбции

    На основе проведённых исследований даны рекомендации по использованию лидитов Кыргызстана. Приведены результаты сравнительного анализа результатов фильтрования воды через кварцевый песок и лидитовую крошку. Фильтрация проводилась через лидитовую крошку фракции 0,5-0,8 мм и диаметром трубы  3,5 см. Скорость протока – 25 см3 в минуту. В отличии от стандартных коагулянтов, которые влияют на осаждение органических примесей, в нашем случае пришлось применить обратный метод воздействия - органическая примесь является коагулянтом для многовалентных ионов.

    Исследования на однослойных фильтрах из песка и крошки лидита показали лучшую сорбционную способность крошки лидита. В качестве модельных были взяты растворы солей стронция, вольфрама, бария, кадмия, кобальта и ртути. Результаты фильтрации через слой лидитовой крошки показали поглощение вредных примесей из растворов солей в дистиллированной воде даже в отсутствии коагулирующих веществ. Результаты эксперимента приведены в табл.2.

     

    Таблица 2 - Результаты фильтрации растворов солей через песчаный и лидитовый фильтр

    Поглощаемый ион

    РН фильтрата

    Удаление в % (кварцевый фильтр)

    Удаление в % (лидитовый фильтр)

     

     

    чистый раствор

    раствор с коагулянтом

    чистый раствор

    раствор с коагулянтом

    Sr2+

    8,3

    1

    4

    12

    63

    42-

    7,1

    3

    18

    3

    38

    Ва2+

    8,3

    1

    6

    12

    92

    Cd2+

    8,1

    7

    56

    17

    95

    Co2+

    7,6

    2

    48

    17

    94

    Hg2+

    7,0

    3

    36

    22

    96

     

    Для исследований были взяты пробы воды из береговой зоны Нижне-Алаарчинского водохранилища. Образцы воды, разведённые в физрастворе в отношении 1 к 10, помещались на плотную питательную среду Эндо, которая рекомендуется для исследований бактерий кишечных палочек. Через 5 минут вода сливалась с поверхности питательной среды. Образцы культивировались в термостате в течение двух-трёх суток. В чашках Петри определялся обильный рост колоний микроорганизмов. Образцы воды, пропущенные через обычный лидитовый фильтр, уменьшали количество колоний микроорганизмов. Вода, пропущенная через лидитовые фильтры, содержащие серебро, показывала лишь единичные колонии. Это экспериментально доказывает предположение о сильном бактерицидном свойстве поверхности лидита с включением частиц серебра. То есть лидитовая крошка может эффективно использоваться в качестве наполнителя в фильтрах многоцелевого назначения: для очистки промышленных сточных вод; очистки дождевых вод; для водоподготовки; очистки стоков больниц; обеззараживание питьевых и сточных вод. Лидитовые фильтры более эффективны, чем обычные кварцевые. Они имеют способность более эффективно поглощать ионы вредных металлов, даже без использования коагулянтов. Это можно объяснить наличием на поверхности лидитовой крошки включений углерода, который изменяет поверхностно-сорбционные свойства и благоприятствует сорбции ионов. Применение чистых растворов без коагулянтов показало более высокую степень поглощения, чем у чистого кварца, что указывает на наличие ионообменных центров на поверхности лидита. Наличие этих центров также обеспечивает большую «слипаемость» скоагулированных компонентов с поверхностью лидитовой крошки, и объясняет высокие результаты очистки воды от вредных примесей.

    Приведены результаты долгосрочных исследований химической стойкости образцов лидита. По своим кислото- и щелочестойкости лидит можно отнести к химически стойкой керамике, он может использоваться для изготовления покрытий, работающих в агрессивных средах. Изучалась возможность использования лидита в качестве химически стойкого материала на основании ГОСТа 473.1-81. Химическая стойкость лидита обусловлена особенностями его структуры, в частности наличием распределённого высокодисперсного углерода.

    Использование огнеупорного кирпича из лидитов удешевляет процесс производства. Доказана возможность использования лидита в качестве природного безотжигового огнеупора, по свойствам не уступающего динасу. Огнеупорные свойства лидитов обеспечены структурными и физико-химическими особенностями, обусловленными малым коэффициентом термического расширения (6,5 – 7,2) 10-6 К-1 в температурном интервале от 20 до 1650О С.

    Использование лидитовой крошки и пыли, остающейся после распиловки лидитовых блоков, может найти применение в резиново-технической промышленности,  при изготовлении композиционных материалов и декоративных изделий. Лидитовая крошка может эффективно использоваться в качестве наполнителя в фильтрах многоцелевого назначения: для очистки промышленных сточных вод; очистки дождевых вод; для водоподготовки; очистки стоков больниц; обеззараживание питьевых и сточных вод. Лидитовые фильтры более эффективны, чем обычные кварцевые. Они имеют способность более эффективно поглощать ионы вредных металлов, даже без использования коагулянтов. Это можно объяснить наличием на поверхности лидитовой крошки включений углерода, который изменяет поверхностно-сорбционные свойства и благоприятствует сорбции ионов. Применение чистых растворов без коагулянтов показало более высокую степень поглощения, чем у чистого кварца, что указывает на наличие ионообменных центров на поверхности лидита. Наличие этих центров также обеспечивает большую «слипаемость» скоагулированных компонентов с поверхностью лидитовой крошки и в свою очередь объясняет высокие результаты очистки воды от вредных примесей.

    Добавка лидитовой крошки в лаки и краски значительно повышает огнеупорные свойства покрытий. Добавка в асфальтовое покрытие и бетоны – значительно снижает истираемость.

    При исследовании лидитов на химическую стойкость в агрессивных средах была определена высокая химическая стойкость образцов на основании ГОСТов. Химическая стойкость лидита обусловлена особенностями его структуры, в частности наличием распределённого высокодисперсного углерода

    Помимо научного и практического значения полученных результатов, необходимо отметить, что на примере использования лидита в промышленности предложенно ввести так называемую «Концепцию «Трёх Э» в систему высшего образования Кыргызстана. Система двухуровнего образования предполагает обучение студентов по программе бакалариата, выбора профиля дальнейшего образования и магистратуры. Бакалавриат предполагает получение высшего образования на уровне мировых стандартов и является первой ступенью высшего профессионального образования, полученного в сокращённые сроки.

    Выбор профиля предполагает личное решение студента, которое предоставит возможность после изучения общих профессиональных дисциплин изучить специальные профильные дисциплины. В дальнейшем это позволит развить навыки и умения, проявить способности в понимании дальнейшей профессиональной деятельности, начиная с элементарного уровня и до самого сложного.

    И, наконец, магистратура является второй ступенью европейского высшего профессионального образования. Особенностью подготовки магистра является его магистерская программа, которая, также как и профиль, позволяет выбрать будущую специализацию в профессиональной деятельности.

    Именно на этапе обучения студентов по магистерским программам авторы предлагают ввести концепцию «трёх Э». Концепция «трёх Э» – это концепция, включающая в профессиональное образование по естественнонаучным дисциплинам обязательной связи исследований с Экологией, Энергосбережением и Экономической выгодой.

    Люди создают новые технологии и новые отрасли промышленности для того, чтобы более эффективно и с меньшими затратами удовлетворить свои потребности. За те серьёзные, а порой катастрофические изменения, которые произошли на Земле за последние 200 лет, ответственны тоже люди. К этой деятельности относятся: сжигание ископаемого топлива (угля и нефти) для получения энергии, сжигание биомассы (растительности), сведение лесов и другая промышленная и сельскохозяйственная деятельность. Капиталовложения в энергосберегающие технологии могут способствовать снижению потребления природного топлива без ущерба для экономического развития. Сегодня все понимают, что необходимо формировать систему стимулов и рыночных механизмов для реализации экологических проектов, удешевления промышленного производства и энергосбережения. Для этого крайне необходимо внедрять эти понятия в систему образования специалистов. При этом междисциплинарное сотрудничество является  решающим фактором успеха.

    Рассмотрим введение концепции «трёх Э» на примере изучения природного лидита Кыргызстана. Авторами проводятся исследования свойств и структурных особенностей лидитов для замены энергоёмкого, долговременного, экологически проблемного и затратного производства динасовых огнеупоров и химически стойких материалов на более выгодное и экологически безопасное использование природных лидитов, запасы которых в мире огромны. При использовании лидитов предполагается сведение к минимуму вреда, наносимого природе, энергетические затраты будут снижены в несколько раз и, как следствие, значительно снизится цена конечного промышленного продукта. К приоритетам развития науки относятся энерго- и ресурсосберегающие технологии, создание и использование новых материалов в промышленности. В связи с чем изучение возможности использования природного лидита в качестве огнеупорного и химически стойкого материала представляет несомненный интерес.

    Природный минерал, запасы которого только в Кыргызстане составляют миллионы тонн, обладает интересными особенностями. Аномально низкий коэффициент термического расширения, отсутствие фазовых переходов в структуре, чрезвычайно высокая химическая стойкость позволяют его напрямую использовать в промышленности. Изучение состава лиддита и причин, вызывающих такие необычные свойства требуют привлечения фундаментальных знаний из самых разных областей науки (химии, физики, биологии и т.д.). Таким образом, фундаментальные исследования получают возможность финансирования за счёт существенной экономии, возникающей в результате внедрения производства лидитовых огнеупоров и химически стойких материалов в промышленность. Построив минизаводы в непосредственной близости от месторождений лидита простой распиловкой в промышленных масштабах можно выпускать огнеупорный и химически стойкий кирпич высокого качества для облицовки зданий в гражданском строительстве, для кладки металлургических, стекловаренных печей и нагревательных колодцев, футеровки химической аппаратуры, художественных поделок. Из крошки, которая образуется при распиловке можно изготавливать абразивные материалы, химстойкие и жаропрочные замазки и цементы, добавлять в краски и лаки в качестве чёрного пигмента и для придания им огнеупорности и химстойкости, в качестве противопригарного средства для отливки деталей машин, материала для изготовления высокоогнеупорных литейных форм, фильтров и катализаторов. Это и есть наглядный пример промышленной деятельности, согласно которой в промышленных процессах потребляются сырьевые материалы и производятся промышленные изделия плюс отходы, которые также находят важное применение. То есть процесс промышленного производства становится фактически безотходным и вред, наносимый экологии сводится к минимуму. При этом процесс производства преобразован в более интегрированную модель – промышленную экосистему. В такой системе потребление энергии и материалов оптимизировано, а производство отходов практически отсутствует. То есть промышленная экосистема начинает функционировать аналогично биологической экосистеме. Истощение материалов в такой промышленной экосистеме происходит не быстрее чем в биологических экосистемах. Производственные процессы в промышленной экосистеме трансформируют циркулирующие запасы материалов из одних форм в другие. Современные промышленные производства не образуют промышленную экосистему. Однако наши исследования и разработки внушают оптимизм. Мы предлагаем внедрение в практику так называемое «проектирования» отходов: производственный процесс, связанный с использованием лидитов, планируется таким образом, что его отходы могут полностью возвращаться в цикл этого процесса.

    На примере изучения и использования в промышленности  лидитов можно наглядно продемонстрировать студентам предлагаемую концепцию «трёх Э». Проведённые исследования дают представление о том, как при производстве необходимых промышленности материалов минимизируется вред, наносимый Экологии, как достигается максимальное Энергосбережение в процессе производства и при этом прослеживается несомненная Экономическая выгода. В процессе получения студентами второго уровня высшего образования необходимо давать им известные и разрабатываемые промышленные экосистемы с применением концепции «трёх Э». Получившие магистерскую степень специалисты, должны не просто обладать набором прикладных знаний в той или иной области науки, а уметь применять эту концепцию на практике. В этом случае Экономическая выгода будет удваиваться. Так как магистранты естественных факультетов научаться вносить в свои проекты и разработки, основанные на использовании предложенной концепции, экономически выгодные предложения, что, в свою очередь, даст возможность финансировать фундаментальную науку.

     

    На основе проведённых исследований сделаны основные научные выводы:

     

    1.  По структуре лидиты Кыргызстана представляют собой α-кварц, содержащий диспергированный углерод в количестве 0,7-1,2%. Наличие диспергированного углерода в структуре определяет особые физико-химические и термические свойства лидита, в частности аномально низкий коэффициент термического расширения 6,5-7,2 10-6 К-1 при температурах от 20О С до 1650О С. Это обусловлено отсутствием перехода α-кварца в кристобалит и тридимит при 20-1200 ОС. В температурном интервале 1200-  1650 ОС происходит частичное преобразование α-кварца в кристобалит, минуя тридимит. При этом в структуре лидита определяются фазы: α-кварца порядка 60%, кристобалита 10-15%, тридимита менее 3%, остальное - стекловидная фаза и примесные количества силикатов (менее 1%).

    2.  Углерод, распределенный в матрице оксида кремния, оказывает тормозящее воздействие на фазовые переходы и способствует аморфизации структуры оксида кремния в лидите. Зародыши кристаллизации вновь образующихся фаз, термодинамически устойчивых при высоких температурах, теряют способность к росту до крупных кристаллических структур. При температурах порядка 1500 ОС оксид кремния вступает в реакцию с углеродом, частично компенсируя увеличение объёма и уменьшая расширение кристаллической решетки.

    3.  Кислотные компоненты сера и ванадий, которые были определены в лидите, являются депрессорами фазовых переходов α-кварца в кристобалит и тридимит. При этом содержание серы и ванадия не превышает 5% от содержания углерода. При температурах до 1200 ОС тормозящее действие на фазовые переходы в основном оказывает сера в виде сульфата и сульфита, связывая катализаторы фазовых переходов кальций и калий. Ванадий (в виде оксида) проявляет свои свойства при более высоких температурах.

    4.  Доказана возможность использования лидита в качестве природного безотжигового огнеупора, по свойствам не уступающего динасу. Огнеупорные свойства лидитов обеспечены структурными и физико-химическими особенностями, обусловленными малым коэффициентом термического расширения (6,5 – 7,2) 10-6 К-1 в температурном интервале от 20 до 1650ОС.

    5.  Установлена высокая химическая стойкость образцов согласно требованиям ГОСТов. Получен Патент, подтверждающий возможность использования лидита в качестве химически стойкого материала. Их химическая стойкость  обусловлена особенностями структуры, в частности наличием распределённого высокодисперсного углерода.

    6.  Предложено на примере изучения свойств лидитов внедрять в систему двухуровневого образования внедрять «концепцию «Трёх Э».

    7.  Выносятся предложения о практическом использовании природного лидита. Химический состав и структурные особенности лидитов, обеспечивающие наличие уникальных свойств, позволяют рекомендовать их для использования в следующих промышленных направлениях:

     

    Промышленное направление

    Область применения

    Металлургия

    Огнеупорный кирпич для футеровки печей

    Огнеупорная плитка

    Резиново-техническая промышленность

    Производство высоконаполненных РТИ специального назначения стойких к истиранию, обладающих абразивными свойствами

    Композиционные материалы и изделия

    Декоративные облицовочные материалы

    Лакокрасочная промышленность

    Производство антипригарных красок и паст

    Строительство

    Специальные бетоны, кирпич, штукатурки
    Коррозионностойкие полы, стены и др. поверхности

    Огнеупорные покрытия

    Декоративные облицовочные материалы

    Дорожное строительство

    Строительство дорог, пешеходных переходов на основе лидитовых асфальтов
    Строительство спец. трасс на основе лидитовых бетонов

    Коммунальное хозяйство

    Лидитовые фильтры многоцелевого назначения: очистка промышленных сточных вод;
    очистка дождевых вод;
    водоподготовка;
    очистка стоков больниц
    обеззараживание питьевых и сточных вод

    Приборостроение

    Специальные испытательные камеры
    Защитные покрытия

     

    Комментарии

    Комментарий не существует

    Написать Комментарий

    Ваша эл. почта не будет опубликована. Обязательные поля *

    Похожие новости