PHYSICO-CHEMICAL PROCESSES OF ALKALINE ACTIVATION  OF SILICA DURING HEAT TREATMENT IN THE SIO2-NaOH-H2O SYSTEM

Kirill V. Skirdin; Olga V. Kazmina; Vladimir I. Vereshchagin; Irina E. Rymanova

doi:10.6060/ivkkt.20246704.6947

Kirill V. Skirdin Томский политехнический университет
Olga V. Kazmina Томский политехнический университет https://orcid.org/0000-0001-5285-3329
Vladimir I. Vereshchagin Томский политехнический университет
Irina E. Rymanova Томский политехнический университет https://orcid.org/0000-0002-7780-5419

DOI: https://doi.org/10.6060/ivkkt.20246704.6947

Ключевые слова: пористый стеклокомпозит, маршалит, микрокремнезем, гидроксид натрия, гидросиликаты, процессы силикатообразования

Аннотация

Исследованы физико-химические процессы, протекающие при щелочном активировании композиции системы SiO₂-NaOH-H₂O с кристаллическим кремнеземом. Исследования проводились с помощью термогравиметрического, рентгенофазового методов анализа и данных ИК-спектроскопии. Установлены зависимости свойств композиции от величины силикатного модуля (SiO₂/Na₂O 4-7), количества микрокремнезема (10-30%), вводимого взамен маршалита, и концентрации раствора гидроксида натрия (30-60 мас.%). По результатам исследования предложены реакции взаимодействия компонентов и модель фазовых превращений в композиции при ее нагревании до 850 °С. На этапе взаимодействия компонентов (30-130 °С) происходят процессы гидратации с образованием гидросиликата натрия Na₂SiO₃(OH), на поверхности которого формируется слой кристаллогидратной воды и водной оболочки. При этом свободная вода отсутствует. При нагревании композиции до температур 130-300 °С удаляется водная оболочка и далее кристаллогидратная вода. Удаляемая вода вступает во взаимодействие с непрореагировавшим кремнеземом с образованием гидратированных форм кремнезема. При дальнейшем нагревании до температур 310-800 °С гидросиликаты натрия и гидратированные формы кремнезема переходят в безводные силикаты. Нагрев композиции до 850 °С приводит к образованию пиропластичной массы из эвтектического расплава (Na₂О·2SiO₂–SiO₂) и остаточного кремнезема. Установлен двухстадийный механизм формирования пористого каркаса композиции. На первой стадии (температуры 80-200 °С) происходит разложение кристаллогидратов гидросиликата натрия, и на второй (температуры 788-850 °С) - вспенивание расплава. Вспенивание происходит за счет удаления паров воды (80-200 °С) и расширения объема газов (788-850 °С) в пористой структуре, образованной на первом этапе вспенивания. Разработанный состав высокомодульной композиции (SiO₂/Na₂O 5,7) служит в качестве основы для получения пористого стеклокомпозита по одностадийной щелочной технологии, при введении дополнительных оксидов, повышающих химическую стойкость. Состав включает следующие компоненты, мас.%: маршалит – 50, микрокремнезем – 23, гидроксид натрия – 16, вода – 11.

Для цитирования:

Скирдин К.В., Казьмина О.В., Верещагин В.И., Рыманова И.Е. Физико-химические процессы щелочного активирования кремнезема при термообработке в системе SiO₂-NaOH-H₂O. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2024. Т. 67. Вып. 4. С. 108-114. DOI: 10.6060/ivkkt.20246704.6947.

Биографии авторов

Kirill V. Skirdin, Томский политехнический университет

Научно-образовательный центр Н.М.Кижнера, Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ), ул. Ленина, 30, Томск, Российская Федерация, 634000

Телефон: 8 909 548 37 42

Olga V. Kazmina, Томский политехнический университет

2011 г. по настоящее время – профессор НОЦ Н.М Кижнера

2003 г. – доцент кафедры технологии силикатов и наноматериалов

2001 г. – старший преподаватель кафедры технологии силикатов

1995 г. – ассистент кафедры технологии силикатов ТПУ

Образование: в 1989 году с отличием окончила Томский политехнический институт по специальности «Химическая технология стекла и ситаллов».

Защита кандидатской диссертации в 1995 г.

Защита докторской диссертации в 2010 г.

Vladimir I. Vereshchagin, Томский политехнический университет

Верещагин Владимир Иванович, 1942 года рождения, русский, в 1964 году закончил с отличием Томский политехнический институт, химико-технологический факультет (квалификация инженер-технолог, специальность Технология силикатов). После окончания очной аспирантуры при Томском политехническом институте, в 1968 г. он защитил кандидатскую диссертацию и утвержден в ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.17.11 – Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов.
С 1968 года и по настоящее время Верещагин В.И. работает на химико-технологическом факультете Томского политехнического университета (до 18.10.1991 года института), занимая должности: старшего инженера, старшего преподавателя, младшего научного сотрудника, доцента, в 1974 году утвержден в ученом звании доцента.

С 1980 года Верещагин В.И. работает в должности заведующего кафедрой технологии силикатов. В 1983 году им защищена докторская диссертация, в 1985 году утвержден в ученом звании профессора по кафедре технологии силикатов.
В период с 1991г. по 1999г. Верещагин В.И. был заведующим кафедрой физической химии, технологии силикатов и неорганических веществ. В 1999 г. Верещагин В.И вновь создает кафедру технологии силикатов, руководителем которой является по настоящее время.
За период с 1965 года по настоящее время Верещагиным В.И. выполняется педагогическая, учебно-методическая, научная работа и внедрение научных разработок в производство. Освоены и читались в разные годы курсы лекций по дисциплинам: «Физико-химические методы исследования силикатов», «Химическая технология тонкой керамики», «Оборудование стекольных заводов», в настоящее время читается курс «Физическая химия тугоплавких неметаллических и силикатных материалов» для студентов специальности 24.03.04 – Химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов, изданы и переизданы 2 учебной дисциплине по данному курсу, которое востребовано во всех ВУЗах России и стран ближнего зарубежья, где осуществляется подготовка специалистов силикатного профиля. Пособия отмечены дипломами на конкурсах Томского политехнического университета (2001-2003 гг.). Им осуществляется руководство выпускными квалификационными работами бакалавров и магистров, осуществляет руководство аспирантами и докторантами.
Верещагин Владимир Иванович – автор ряда крупных научных работ в области химии и технологии силикатных и тугоплавких неметаллических материалов. В настоящее время является руководителем сложившейся в Томске Сибирской научной школы в области химии и технологии силикатов, в которой сохраняются и развиваются традиции нескольких поколений. В рамках приоритетного направления «Индустрия наносистем и материалов» он является руководителем работ в области модифицирования добавками керамических стекловидных и композиционных материалов на основе силикатов и оксидов. По данному направлению защищена докторская диссертация. Опубликовано более 470 научных работ, в том числе 6 монографий, получено 83 авторских свидетельств и патентов на изобретение. Запатентованные научные разработки используются на предприятиях Сибири и Урала (Томский завод керамических материалов и изделий, Завод художественной керамики, ЗАО «Карьероуправление», Новосибирский электровакуумный завод, Южно-Уральский завод радиокерамики, Ангарский керамический завод).
Результатом исследований Верещагина В.И. явилось освоение и разработка в Иркутской области нового вида силикатного сырья – диопсидовых пород для производства тонкой и строительной керамики в России (2003 г.), что позволило расширить сырьевую базу керамических производств и улучшить качество выпускаемой продукции.
Практическая реализация научных работ в промышленности отмечена Большими золотыми медалями на выставках «Стройсиб-2001», «Сибстройтех-2002», «Стройсиб-2003», Выставочного Общества «Сибирская ярмарка» г. Новосибирск, Бронзовой медалью Всероссийского научно-промышленного форума «Россия Единая 2003» Выставочного акционерного общества «Нижегородская ярмарка».
Комплекс научных работ в области химии и технологии силикатов, выполненных под руководством Верещагина В.И. по теме «Силикатные материалы на основе нетрадиционных видов кальций-магний силикатного сырья», отмечен первой премией ВХО им. Д.И. Менделеева в 1988 году.
Верещагин В.И. с 1980 года заведующий кафедрой технологии силикатов Томского политехнического университета (кафедра основана в 1902 году). По тематике направления им подготовлено 33 кандидата наук (8 за последние 5 лет), 5 докторов наук (3 за последние 5 лет). Ученики Верещагина В.И. работают в ВУЗах Томска, Новосибирска, Иркутска, Красноярска, Абакана.
За последние 5 лет (2005-2009 гг.) опубликовано более 135 научных работ, 53 статьи в ведущих российских журналах и 7 – в зарубежных журналах (Журнал Европейского керамического общества, Немецкий керамический журнал и др.), 4 публикации в журналах с высоким индексом цитирования («Импакт-фактором»). Получено 11 патентов. Сделано более 36 докладов на международных конференциях и симпозиумах. Подготовлено 6 кандидатов и 1 доктор наук. Результатом исследований Верещагина В.И. явилось освоение и разработка в Иркутской области нового вида силикатного сырья диопсидовых пород для производства тонкой и строительной керамики в России (2003 г). Является действительным членом Международной академии высшей школы и членом Российской академии естественных наук, председателем диссертационного совета Д.212.269.08 при Томском политехническом университете, членом редакционных советов ведущих научных журналов России в области технологии силикатных материалов: «Стекло и керамика», «Строительные материалы», «Новые огнеупоры».
Научно-педагогическая деятельность Верещагина В.И. за пятилетний период отмечена Почетной грамотой Администрации Томской области (2002 г.), Почетной грамотой Администрации г. Томска (2002 г.), Дипломом лауреата конкурса Томской области в сфере образования и науки (2003 г.), Дипломом лауреата конкурса научно-исследовательских работ Томского политехнического университета (2003 г.), Дипломом Всероссийского научно-промышленного форума «Россия Единая» г. Нижний Новгород (2004 г.), Юбилейной медалью «400 лет городу Томску» (2004 г.), Почетной грамотой редакции научно-технического и производственного журнала «Строительные материалы» (2005 г.).
Награды:
- Заслуженный химик Российской Федерации (1996 г.).
- Орден почета (2000 г.).
- Заслуженный деятель науки (2008 г.).

Irina E. Rymanova, Томский политехнический университет

В 1983 г. поступила в Томский политехнический институт на химико-технологический факультет и в 1989 году закончила его по специальности «Химическая технология пластических масс». После окончания института поступила на работу в г. Томске в ОНПО «Пластполимер» и в должности инженера проработала до 1995г.

В 1993г. поступила в Томский гос.пед.институт на факультет иностранных языков, в 1998г. закончила и получила квалификацию «Учителя английского и немецкого языков. Переводчик-референт» по специальности «Филология».

В Томском политехническом университете работает с 1999 года в должностях преподавателя английского языка 11 разряда, затем 13 разряда, заведующего УМЦЯП ХТФ. С 2010г после реорганизации политехнического университета работает специалистом по учебно-методической работе в Отделении Иностранных языков ШБИП, активно занимается научной деятельностью в области информационных технологий. За стаж работы в ТПУ опубликовала 32 научные статьи и учебно-методические пособия для студентов-химиков(соавторы - Т.С. Петровская, А.В. Макаровских). В 2013г учебное пособие «Английский язык для инженеров-химиков» (соавторы Т.С. Петровской, А.В. Макаровских) получило гриф УМО. Разработаны 5 электронных курса на платформе Moodle для студентов и аспирантов. В 2021г. получила диплом IIстепени за разработку онлайн-курса "Practical course supporting English language learning for the 2nd year students, semester 3".
В 2017г. закончила аспирантуру и получила квалификацию Преподавателя- исследователя.

Литература

Goltsman B.M., Yatsenko L.A., Goltsman N.S. Production of foam glass materials from silicate raw materials by hydrate mechanism. Solid State Phenom. 2020. V. 299. P. 293-298. DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.299.293.

Bajare D., Bumanis G., Korjakins А. New porous material made from industrial and municipal waste for building application. Constr. Mater. 2014. V. 20. N 3. P. 333-338. DOI: 10.5755/j01.ms.20.3.4330.

Simonsen M.E., Sønderby C., Søgaard E.G. Synthesis and characterization of silicate polymers. J. Sol-Gel Sci. Technol. 2009. V. 50. P. 372-382. DOI: 10.1007/s10971-009-1907-4.

Luukkonen T., Heponiemi A., Runtti H., Pesonen J., Yliniemi J., Lassi U. Application of alkali-activated mate-rials for water and wastewater treatment: a review. Rev. Environ. Sci. Biotechnol. 2019. V. 18. P. 271-297. DOI: 10.1007/ s11157-019-09494-0.

Manakova N.K., Suvorava O.V., Semushin V.V. Physi-cochemical substantiation of obtaining porous glass materials from silica-containing raw materials. Glass Phys. Chem. 2023. V. 49. N 2. P. 193-198. DOI: 10.1134/S108765962260106X.

Kutugin V.A., Lotov V.A., Gubanov A.V., Kursilev K.V. Porous articles with rigid structure based on natural amorphous silica. Glass Ceram. 2018. V. 75. N 1-2. P. 12-16. DOI: 10.1007/s10717-018-0019-4.

Reka A.A., Pavlovski B., Makreski P. New optimized method for low-temperature hydrothermal production of porous ceramics using diatomaceous earth. Ceram. Int. 2017. V. 43. N 15. P. 12572-12578. DOI: 10.1016/j.ceramint.2017.06.132.

Makarov D.V., Manakova N.K., Suvorova O.V. Production of rock-based foam-glass materials (Review). Glass Ceram. 2023. V. 79. P. 411–417. DOI: 10.1007/s10717-023-00522-8.

Miryuk O.A. Influence of fillers on properties of liquid-glass compositions. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2019. V. 62. N 12. P. 51–56. DOI: 10.6060/ivkkt.20196212.5915.

Kazmina O.V., Dushkina M.A., Vereshchagin V.I., Voland S.N. The use of dispersed screenings of construction sands for the production of foam glass materials. Stroit. Mater. 2014. N 1-2. P. 93-97 (in Russian).

Volland S. Influence of the mechanical activation of raw mixes on the properties of foam glass from sand sludge. Constr. Building Mater. 2016. V. 125. N 30. P. 119-126. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2016.07.116.

Ivanov K.S. Influence of the methods of preparing a silicate-sodium mixture on the formation of the structure of foam glass ceramics. Glass Phys Chem. 2019. V. 45. P. 60-65. DOI: 10.1134/S1087659619010048.

Makarov D.V., Manakova N.K., Suvorova O.V. Produc-tion of rock-based foam-glass materials (review). Glass Ceram. 2023. V. 79. P. 411–417. DOI: 10.1007/s10717-023-00522-8.

Yatsenko E.A., Goltsman B.M., Klimova L.V., Yatsenko L.A. Peculiarities of foam glass synthesis from natural silica-containing raw materials. J. Therm. Anal. Calorim. 2020. V. 142. P. 119–127. DOI: 10.1007/s10973-020-10015-3.

Ivanov K.S. Preparation and properties of foam glass-ceramic from diatomite. J. Wuhan Univ. Technol.-Mat. Sci. Edit. 2018. V. 33. P. 273–277. DOI: 10.1007/s11595-018-1817-8.

Da Silva R.C., Kubaski E.T., Tenório-Neto E.T., Lima-Tenório M.K., Tebcherani S.M. Foam glass using sodium hydroxide as foaming agent: Study on the reaction mechanism in soda-lime glass matrix. J. Non-Cryst. Solids. 2019. V. 511. P. 177-182. DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2019.02.003.

Skirdin K.V., Miskovets A. Yu., Kazmina O.V. Influence of silica fume on the production process and properties of porous glass composite. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 1. P. 84-92. DOI 10.6060/ivkkt.20236601.6607.

Kiselev A.V., Lygin V.I. Infrared spectra of surface compounds. M.: Nauka. 1972. 459 p.

Efimov A.M., Pogareva V.G. IR absorption spectra of vitreous silica and silicate glasses: The nature of bands in the 1300 to 5000 cm−1 region. Chem. Geol. 2006. V. 229. N. 1–3. P. 198-217. DOI: 10.1016/j.chemgeo.2006.01.022.

Zhai C., Zhong Y., Zhang J., Wang M., Yu Y., Zhu Y. Enhancing the foaming effects and mechanical strength of foam glasses sintered at low temperatures. J. Phys. Chem. Solids. 2022. V. 165. N 110698. DOI: 10.1016/j.jpcs.2022.110698.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ЩЕЛОЧНОГО АКТИВИРОВАНИЯ КРЕМНЕЗЕМА ПРИ ТЕРМООБРАБОТКЕ В СИСТЕМЕ SiO2-NaOH-H2O

Аннотация

Биографии авторов

Литература

Наиболее читаемые статьи этого автора (авторов)

Самые популярные