РЕГУЛИРОВАНИЕ СОСТАВА И СВОЙСТВ ОКСИДОВ ЖЕЛЕЗА МЕТОДАМИ МЕХАНО- И ПЛАЗМОХИМИИ
Аннотация
В статье представлены результаты комплексного исследования железосодержащего шлама – отхода производства красителей Заволжского химического завода - и оксидов железа, полученных в результате его обработки. Обработка железосодержащего шлама проводилась в ролико-кольцевой вибрационной мельнице путем его активации со щавелевой кислотой при подведенной энергии 158 кДж/г, а также в плазмохимическом реакторе с использованием мощного импульсного гиротрона (частота 75 ГГц, мощность до 0,3 МВт). С помощью методов энергодисперсионного, рентгенофазового и рентгеноструктурного анализа, мессбауэровской спектроскопии и низкотемпературной адсорбции азота исследовано влияние способа обработки на фазовый состав, параметры тонкой кристаллической структуры и физико-химические свойства оксидов железа. Установлено, что в состав железооксидного шлама преимущественно входит оксид железа (Fe3O4), а количество и природа содержащихся примесей указывают на перспективность его использования в качестве исходного сырья для получения катализаторов. Показано, что СВЧ-обработка снижает содержание металлического железа в образце и увеличивает долю основной фазы – Fe3O4 за счет окисления части металлического железа и доокисления кластеров нестехиометрического состава, тогда как механохимическая активация со щавелевой кислотой в сочетании с последующей термической обработкой при 425 °С приводит к образованию γ-Fe2O3. Результаты анализа распределения пор по размерам демонстрируют значительные изменения структуры материалов после различных видов обработки: СВЧ-воздействие способствует укрупнению пор и формированию широких транспортных каналов, в то время как механохимическая активация увеличивает удельную поверхность за счет образования мелких мезопор. Полученные данные демонстрируют перспективность использования механохимической и СВЧ-активации для переработки железосодержащих отходов в функциональные материалы и возможность регулирования их свойств путем изменения параметров обработки. На основе полученных данных предложены параметры работы гиротронного комплекса. Разработанные подходы не только расширяют сырьевую базу для производства катализаторов, но и способствуют решению экологических проблем, связанных с утилизацией промышленных отходов.
Для цитирования:
Румянцев Р.Н., Строганова Т.Е., Павлова Н.С., Гордина Н.Е., Скворцова Н.Н., Гусейн-заде Н.Г., Ле Тхи Май Хыонг, Данг Чан Тхо Регулирование состава и свойств оксидов железа методами механо- и плазмохимии. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2025. Т. 68. Вып. 11. С. 96-110. DOI: 10.6060/ivkkt.20256811.7280.
Литература
Hamad K.I., Humadi J.I., Issa Y.S., Gheni S.A., Ahmed M.A., Hassan A.A. Enhancement of activity and lifetime of nanoiron oxide catalyst for environmentally friendly catalytic phenol oxidation process. Clean. Eng. Technol. 2022. V. 11. N 100570. DOI: 10.1016/j.clet.2022.100570.
Schlicher S., Schoch R., Prinz N., Zobel M., Bauer M. New and Facile Preparation Method for Highly Active Iron Oxide Catalysts for CO Oxidation. Catalysts. 2024. V. 14. N 7. P. 416. DOI: 10.3390/catal14070416.
Nuengmatcha P., Kuyyogsuy Ar., Porrawatkul P., Pimsen R., Chanthai S., Nuengmatcha P. Efficient degrada-tion of dye pollutants in wastewater via photocatalysis. Water Sci. Eng. 2023. V. 16. N 3. P. 243-251. DOI: 10.1016/j.wse.2023.01.004.
Cho W. C., Lee D., Kima C.H., Choa H.S., Kim S.D. Feasibility study of the use of byproduct iron oxide and industrial offgas for application to chemical looping hydrogen production using a magnetic zinc ox-ide/graphene/iron oxide-based catalyst. Appl. Energy. 2018. V. 216. P. 466-481. DOI: 10.1016/j.apenergy.2018.02.078.
Humphreys J., Lan R., Tao S. Development and Recent Progress on Ammonia Synthesis Catalysts for Haber–Bosch Process. Adv. Energy Sustain. Res. 2021. V. 2. P. 2000043. DOI: 10.1002/aesr.202000043.
Chou K-S., Lee S-J. Facile methods to synthesize nanaosized iron oxide colloidal dispersion and its character-ization. Colloids Surf. A: Physicochem. Eng. Asp. 2009. V. 336. P. 23-28. DOI: 0.1016/j.colsurfa.2008.11.024.
Lemine O.M., Omri K., Zhangc B., Mir L.El, Sajieddine M., Alyamani A., Bououdin M. Solgel synthesis of 8 nm magnetite (Fe3O4) nanoparticles and their magnetic properties. Superlattice Microst. 2012. V. 52. P. 793-799. DOI: 10.1016/j.spmi.2012.07.009.
Khana I., Morishita S., Higashinaka R., Matsuda T.D., Aoki Y., Kuzmann E., Homonnay Z., Katalin S., Pavic L., Kubuki S. Synthesis, characterization and magnetic properties of ε-Fe2O3 nanoparticles prepared by solgel method. J. Magn. Magn. Mat. 2021. V. 538. P. 11. DOI: 10.1016/j.jmmm.2021.168264.
Aivazoglou E., Metaxa E., Hristoforou E. Microwave-assisted synthesis of iron oxide nanoparticles in biocom-patible organic environment. AIP Adv. 2018. V. 8. 048201. P. 14. DOI: 10.1063/1.4994057.
Bedoya P.A.C., Botta P.M., Bercoff P.G., Fanovich M.A. Magnetic iron oxides nanoparticles obtained by mechanochemical reactions from different solid precursors. J. Alloys Compd. 2021. V. 860. P. 157892. DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.157892.
Oh S.-Y., Cha D.K., Kim B.J., Chiu P.C. Reductive transformation of hexahydro-1,3,5-trinitro-1,3,5-triazine, octahydro-1,3,5,7-tetranitro-1,3,5,7-tetrazocine, and methylenedinitramine with elemental iron. Environ. Toxi-col. Chem. 2005. V. 24. N 11. P. 2812–2819. DOI: 10.1897/04-662R.1.
Chen Z., Wang X., Ge Q., Guo G. Iron oxide red wastewater treatment and recycling of iron-containing sludge. J. Clean. Prod. 2015. V. 87. P. 558-566. DOI: 10.1016/j.jclepro.2014.10.057.
Batanov G.M., Berezhetskaya N.K., Borzosekov V.D., Iskhakova L.D., Kolik L.V., Konchekov E.M., Letunov A.A., Malakhov D.V., Milovich F.O., Obraztsova E.A., Obraztsova E.D., Petrov A.E., Sarksyan K.A., Skvortsova N.N., Stepakhin V.D., Khartchev N.K. Application of microwave discharge for synthesis of nano- and microcrystals of TiB₂ and BN in Ti–B powder mixtures in nitrogen atmosphere. Fizika Plazmy. 2013. V. 39. N 10. P. 942-947 (in Russian). DOI: 10.7868/S0367292113100028
Sokolov A.S., Akhmadullina N.S., Borzosekov V.D., Voronova E.V., Gayanova T.E., Guseinzade N.G., Zakletskiy Z.A., Kozak A.K., Malakhov D.V., Skvortsova N.N., Stepakhin V.D., Obraztsova E.A., Shishilov O.N. Plasma-chemical complex for synthesis of micro- and nanoparticles with controlled composition and structure based on microwave discharge in gyrotron radiation. Izv. VUZov. Radiofizika. 2022. V. 65. N 11. P. 927-947 (in Russian). DOI: 10.52452/00213462_2022_65_11_927.
Prabakar S., Mayakannan M., Vinoth E. Synthesis and Characterizations of Cadmium Doped Aluminium Oxide Nanoparticles. NanoNEXT. 2021. V. 2. N 1. P. 1. DOI: 10.34256/nnxt2111.
Izvekova T.V., Gusev G.I., Gordina N.E., Sitanov R.D., Gushchin A.A. Assessment of the influence of a sludge collector for iron-containing waste on environmental components. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2024. V. 67. N 11. P. 145-153 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20246711.7140.
Afineevskii A.V., Prozorov D.A., Smirnov D.V., Gordina N.E. Strategies for the use of iron-containing waste in the production of high-tech chemical industry products. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2024. V. 67. N 11. P. 6-14 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20246711.7111.
Kunin A.V., Ilyin A.A., Morozov L.N., Smirnov N.N., Nikiforova T.E., Prozorov D.A., Rumyantsev R.N., Afineevsky A.V., Borisova O.A., Grishin I.S., Veres K.A., Kournikova A.A., Gabrin V.A., Gordina N.E. Catalysts and adsorbents for natural gas processing, production of mineral fertilizers, and purification of process fluids. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 7. P. 132-150 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20236607.6849j.
Lapshin M.A., Rumyantsev R.N., Nikitin G.S., Kochetkov S.P., Kleshchev M.V. Effect of copper and calcium ferrites on the activity and selectivity of medium-temperature CO conversion catalysts ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2016. V. 59. N 3. P. 43-48 (in Russian).
Rumyantsev R.N., Lebedev M.A., Popov D.S., Ilyin A.A., Uzhevskaya U.S., Ilyin A.P. Analysis of the catalyst for medium-temperature conversion of carbon monoxide with water vapor. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2018. V. 61. N 9-10. P. 83-88 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20186109-10.5876a.
Skvortsova N.N., Shishilov O.N., Akhmadullina N.S., Konchekov E.M., Letunov A.A., Malakhov D.V., Obraztsova E.D., Stepakhin V.D. Synthesis of micro- and nanostructured materials via oscillating reactions initiated by high-power microwave pulses. Ceram. Int. 2021. V. 47. N 3. P. 3978-3987. DOI: 10.1016/j.ceramint.2020.09.262.
Voronova E.V., Knyazev A.V., Letunov A.A., Logvinenko V.P., Skvortsova N.N., Stepakhin V.D. Temperature of the Surface of Powders in Experiments with Chain Plasma-Chemical Reactions Initiated by the Radiation of a Gyrotron in Pd + Al2O3 Mixtures. Phys. At. Nucl. 2021. V. 84. N 10. P. 1761-1764. DOI: 10.1134/S1063778821090374.
Skvortsova N.N., Voronova E.V., Vafin I.Yu., Akh-madullina N.S., Gayanova T.E., Letunov A.A., Logvinenko V.P., Kolchanova A.Yu., Borzosekov V.D., Sokolov A.S., Stepakhin V.D., Obraztsova E.A., Shishilov O.N. A Method of Depositing Copper Nanoparticles on Microparticles of Dielectrics as a Result of a Plasma-Chemical Reaction Initiated by the Radiation of a Powerful Gyrotron. Fusion Sci. Technol. 2024. P. 1-15. DOI: 10.1080/15361055.2025.2478656.
Knyazev A.V., Letunov A.A., Logvinenko V.P., Voronova E.V., Borzosekov V.D., Stepakhin V.D., Sokolov A.S., Kozak A.K., Ivanov V.A., Skvortsova N.N. Emission of atoms and ions of metals in plasma-chemical process initiated by powerful pulsed gyrotron radiation in mixtures of magnesium and titanium oxide powders. UPF. 2024. V. 12. N 3. P. 295-309 (in Russian). DOI: 10.51368/2307-4469-2024-12-3-295-309.
Skvortsova N.N., Obraztsova E.A., Stepakhin V.D., Konchekov E.M., Gayanova T.E., Vasilieva L.A., Lukianov D.A., Sybachin A.V., Skvortsov D.A., Guseinzade N.G., Shishilov O.N. Microdispersed Ti/B/N Materials Synthesized in Chain Reactions in Processes Initiated by Microwaves of a High-Power Gyrotron: Structure and Cytotoxicity. Fusion Sci. Technol. 2023. V. 80. N 7. P. 882-892. DOI: 10.1080/15361055.2023.2255442.
Krusenbaum A. The mechanochemical synthesis of polymers. Chem. Soc. Rev. 2022. V. 51. N 7. P. 2873-2905. DOI: 10.1039/D1CS01093J.
Rumyantsev R.N., Ilyin A.A., Ilyin A.P., Zhukov A.B., Mezentseva A.A. Study of the process of mechanochem-ical synthesis and thermal decomposition of iron (II) oxalate ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2014. V. 57. N 7. P. 80-84 (in Russian).
Shabashov, Litvinov V.A., Mukoseev A.G. Deformation-induced phase transitions in the iron oxide – metal system. FMM. 2004. V. 98. N 6. P. 38-53 (in Russian).
Lomaeva S.F., Maratkanova A.N., Nemtsova O.M. Mechanical activation of iron in the presence of water. Chem. Sustain. Develop. 2007. N 15. P. 103-109 (in Russian).
Chekin V.V. Mössbauer spectroscopy of iron, gold and tin alloys. M: Energoizdat. 1981. 107 p. (in Russian).
