СИНТЕЗ МАГНЕЗИОХРОМИТА (MgCr2O4): ВЛИЯНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ И МИКРОВОЛНОВОЙ ОБРАБОТКИ ПРЕКУРСОРОВ
Аннотация
Исследован процесс синтеза магнезиально-хромитовой шпинели, исходя из оксидов, гидроксидов и нитратов магния и хрома. Сопоставлена реакционная способность прекурсоров с помощью эффективных констант скорости, рассчитанных по уравнению Гинстлинга-Броунштейна. Возможность использования данного уравнения подтверждена прямолинейностью зависимостей в его координатах с высоким коэффициентом линейной аппроксимации. Сопоставлена активность различных форм оксида магния (мягко обожженного, или каустического магнезита, и намертво обожженного, или периклаза) в реакции шпинелеобразования. Оксидные прекурсоры, особенно с участием периклаза, взаимодействовали между собой с существенно меньшей скоростью по сравнению с гидроксидами и солями. Проанализировано влияние предварительной механоактивации ударно-истирающим и истирающим способом в планетарной и шаро-кольцевой мельнице соответственно, а также микроволновой обработки (2,45 ГГц). Наибольшее положительное влияние обработки в планетарной мельнице, связанное с активизацией соединений Mg и Cr, проявлялось в области относительно низких температур (700-1100 °С). Например, при температуре 1000 °С выход магнезиохромита при совместной ударной обработке оксидов был в ~ 2 раза выше, чем при простом смешении. При дальнейшем повышении температуры влияние предварительной обработки уменьшалось, поскольку в этих условиях возрастали коэффициенты диффузии, обеспечивающие сравнительно быстрое протекание реакции и без МО. Отмечено заметное снижение активности оксида магния в реакции шпинелеобразования после истирающей обработки в шаро-кольцевой мельнице, связанное со скольжением плоскостей в кристаллах кубической сингонии и приводящее к обнажению плоских поверхностей. В результате этого в наибольшей степени нарушенный дефектный слой удалялся с зерен. Установлено, что наиболее эффективен комбинированный способ, состоящий из механической обработки (МО) смеси нитратов магния и хрома в планетарной мельнице и последующего обжига в термической печи (1000 °С), который приводил к образованию практически монофазного продукта. Микроволновая обработка занимала по результативности промежуточное положение.
Литература
Serry M.A., Othman A.G., Girgis L.G. Phase equilibrium, microstructure and properties of some magnesite-chromite refractories. J. Mater. Sci. 1996. V. 31. N 18. P. 4913-4920. DOI: 10.1007/BF00355880.
Pérez I., Moreno-Ventas I., Parra R., Rios G. Postmortem study of magnesia–chromite refractory used in a submerged arc furnace in the copper-making process. JOM. 2018. V. 70. N 11. P. 2435-2442. DOI: 10.1007/s11837-018-3090-y.
Jafarnejad E., Khanahmadzadeh S., Ghanbary F., Enhessan M. Synthesis, characterization and optical band gap of pirochromite (MgCr2O4) nanoparticles by stearic acid solgel method. Curr. Chem. Lett. 2016. N 5. P. 173−180. DOI: 10.5267/j.ccl.2016.7.001.
Koohpayeh S.M., Wen J-J., Mourigal M., Dutton S.E., Cava R.J., Broholm C.L., McQueen T.M. Optical floating zone crystal growth and magnetic properties of MgCr2O4.
J Crystal Growth. 2013. V. 384. P. 39-43. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2013.09.005.
Pingale S.S., Patil S.F., Vinod M.P., Pathak G., Vijaya-mohanan K. Mechanism of humidity sensing of Ti-doped MgCr2O4 ceramics. Mater. Chem. Phys. 1996. V. 46. N 1. P. 72-76. DOI: 10.1016/0254-0584(96)80133-7.
Hu J., Zhao W., Hu R., Chang G., Li C., Wang L. Catalytic activity of spinel oxides MgCr2O4 and CoCr2O4 for methane combustion. Mater. Res. Bull. 2014. V. 57. P. 268-273. DOI: 10.1016/j.materresbull.2014.06.001.
Rida K., Benaabbas A., Bouremmad F., Peña M.A., Martinez-Arias A. Influence of the synthesis method on structural properties and catalytic activity for oxidation of CO and C3H6 of pirochromite MgCr2O4. Appl. Catal. A. 2010. V. 375. N 1. P. 101–106. DOI: 10.1016/j.apcata.2009.12.024.
Michalsky R., Peterson B.A., Pfromm P.H. Rapid synthesis of nanocrystalline magnesium chromite and ferrite ceramics with concentrated sunlight. Thermochim. Acta. 2014. V. 582. P. 10-16. DOI: 10.1016/j.tca.2014.02.018.
Nayak S., Pradhan A.C., Parida K.M. Topotactic transformation of solvated MgCr-LDH nanosheets to highly efficient porous MgO/MgCr2O4 nanocomposite for photocatalytic H2 evolution. Inorg. Chem. 2018. V. 57. N 14. P. 8646-8661. DOI: 10.1021/acs.inorgchem.8b01517.
Verger L., Dargaud O., Chassé M., Trcera N., Rousse G., Cormier L. Synthesis, properties and uses of chromi-um-based pigments from the manufacture de Sèvres. J. Cultural Heritage. 2018. N 30. P. 26-33. DOI: 10.1016/j.culher.2017.09.012.
Andrade M.J., Lima M.D., Bonadiman R., Bergmann C.P. Nanocrystalline pirochromite spinel through solution combustion synthesis. Mater. Res. Bull. 2006 V. 41. N 11. P. 2070–2079. DOI: 10.1016/j.materresbull.2006.04.002.
Durrani S.K., Naz S., Nadeem M., Khan A.A. Thermal, structural, and impedance analysis of nanocrystalline magnesium chromite spinel synthesized via hydrothermal process. J. Therm. Anal. Calorim. 2014. V. 116. N 1. P. 309-320. DOI: 10.1007/s10973-013-3531-3.
Stoia M., Barbu M., Ştefănescu M., Barvinschi P., Barbu-Tudoran L. Synthesis of nanosized zinc and magnesi-um chromites starting from PVA–metal nitrate solutions. J. Thermal. Anal. Calor. 2012. V. 110. N 1. P. 85-92. DOI: 10.1007/s10973-011-2084-6.
Morozova L.V., Kalinina M.V., Drozdova I.A., Polia-kova I.G., Shilova O.A. Synthesis and study of nanoc-eramics of the spinel class. Glass Phys. Chem. 2015. V. 41. N 6. P. 650-655. DOI: 10.1134/S1087659615060115.
Zaharchenko I.N., Kiryushina R.O., Reznichenko L.A., Talanov M.V., Ul'yanov A.K., Shabel'skaya N.P. Study of chromite formation processes MCr2O4 (M = Co, Ni, Zn, Cd, Mg). Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2013. V. 56. N 8. P. 59-62 (in Russian).
Nagata K., Nishiwaki R., Nakamura Y., Maruyama T. Kinetic mechanisms of the formations of MgCr2O4 and FeCr2O4 spinels from their metal oxides. Solid State Ionics. 1991. V. 49. P. 161-166. DOI: 10.1016/0167-2738(91)90081-L.
Morozova L.V., Popov V.P. Synthesis and investigation of magnesium chromium spinel. Glass Phys. Chem. 2010.
V. 36. N 1. P. 86–91. DOI: 10.1134/S1087659610010153.
Kosenko N.F., Smirnova M.A. Synthesis of magnesium aluminate spinel from oxides having different prehistory. Refract. Ind. Ceram. 2011. N 9. P. 3-11 (In Russian).
Marinković Z.V., Mančić L., Vulić P. The influence of mechanical activation on the stoichiometry and defect structure of a sintered ZnO – Cr2O3 system. Mater. Sci. Forum. 2004. 453-454:423-8. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.453-454.423.
Marinković Z.V., Mančić L., Vulić P., Milošević O. Microstructural characterization of mechanically activated ZnO–Cr2O3 system. J. Eur. Ceram. Soc. 2005. N 25.
P. 2081–2084. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2005.03.085.
Takacs L., Šepelák V. Quantitative comparison of the efficiency of mechanochemical reactors. J. Mater Sci. 2004. V. 39. N 16. P. 5487-5489. DOI: 10.1023/B:JMSC.0000039271.90810.5b.
Lv H.L., Ma W.L., Yu X.H., Liu J.Q. Preparation and characterization of MgCr2O4 nanocrystals by microwave method. Adv. Mater. Res. 2011. V. 152. P. 1000–1003. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.152-153.1000.
Kosenko N.F., Vinogradova L.A., Smirnova M.A. Effect of mechanical processing on the dissolution rate of MgO. Inorg. Mater. 2008. V. 44. N 8. P. 842-845. DOI: 10.1134/S0020168508080104.
Kosenko N.F., Filatova N.V. Binding materials regulating activity by mechanical chemical methods. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. [Russ. J. Chem. & Chem. Tech.]. 2018. V. 61. N 1. P. 66-71. DOI: 10.6060/tcct.20186101.5664.
