Технология неорганических веществ на основе серы кремнеземистых соединений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.01, кандидат технических наук Юсупова, Алсу Ансаровна

• Юсупова, Алсу Ансаровна
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Юсупова, Алсу Ансаровна

ВВЕДЕНИЕ

1. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА НА ОСНОВЕ СЕРЫ И КРЕМНЕЗЕМИСТЫХ СОЕДИНЕНИЙ.

1.1. Сера и неорганические сульфиды. Химические и технологические предпосылки их применения в строительной технологии и промышленности.

1.2. Строение и свойства кремнезема. Аморфный кремнезем

1.3. Технология и свойства современных серных композиционных материалов.

1.5. Квантово-химические методы исследования 52 1.5.1. Полуэмпирические и неэмпирические квантово-химические методы и методы теории функционала плотности.

1.6. Постановка задач для исследований.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ, ТЕХНИКА

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РАБОТ, МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

3. ПОЛУЧЕНИЕ СУЛЬФИДОВ В СИСТЕМЕ

СЕРА - СИЛИКАГЕЛЬ И СЕРНЫХ КОМПОЗИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ИХ ОСНОВЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОФИЛЬНОГО АКТИВАТА

3.1. Квантово-химические исследования взаимодействия в системе сера - силикагель, влияние модификатора.

4. ТЕХНОЛОГИЯ СЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ НУКЛЕОФИЛЬНОГО АКТИВАТОРА СИЛИКАТА НАТРИЯ

5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ

МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ СУЛЬФИДСОДЕРЖАЩЕГО

ПРОМЫШЛЕННОГО ОТХОДА

6. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СУЛЬФИДОВ

И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ИХ ОСНОВЕ.

ВЫВОДЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технология неорганических веществ на основе серы кремнеземистых соединений»

Одним из важных направлений научно-технического развития является создание и внедрение новых технологий и материалов, обеспечивающих ресурсосбережение и отвечающих требованиям экологии. В этом плане особое значение приобретают вопросы переработки и утилизации промышленных отходов и побочных продуктов.

Крупным источником таких техногенных продуктов .в России является Астраханский газоперерабатывающий завод в отвалах которого скопились значительные количества попутной серы. В Татарстане ежегодно образуется более 300 т. серных отходов на Минибаевском ГПЗ. С вводом Нижнекамского НПЗ ежегодно будет образовываться до 200 тыс.т. серы. Переработка дешевых серных отходов экономически целесообразна и позволила бы решить экологическую проблему.

Обширная сырьевая база технической серы, (главным образом попутной серы), необходимость ее утилизации и большая потребность активно развивающегося промышленного и гражданского строительства в долговечных и химически стойких материалах, являются определяющими факторами получения неорганических сульфидов и строительных материалов на их основе.

Серные строительные композиции обладают рядом положительных свойств, к которым в первую очередь относятся быстрый набор прочности, связанный только с периодом остывания серобетонной смеси, высокая прочность, химическая стойкость к ряду агрессивных продуктов, низкое водопоглощение и соответственно высокая морозостойкость.

Анализ литературных источников показывает, что среди исследований, проводимых у нас в стране и за рубежом работ, посвященных определению механизма образования полисульфидов кремния и оценки природы взаимодействия в контакте сера - кремнеземсодержащие соединения недостаточно. А данные по получению неорганических сульфидов на основе элементной серы и силикагеля, в литературе отсутствуют. Между тем, подобные неорганические сульфиды и материалы на их основе должны, на наш взгляд, обладать рядом преимуществ, (высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами) перед традиционными ввиду возможного химического взаимодействия между компонентами системы.

В данной работе были показана возможность получения неорганических сульфидов на основе элементной серы и активного кремнеземсодержащего сырья с повышенными физико-механическими свойствами, а также изучен механизм их образования. Предложены возможные области применения неорганических сульфидов при разработке серных композиционных материалов. Для более полной оценки механизма образования сульфидов, а также влияния модифицирующей добавки, впервые применены квантово-химические исследования.

Цель данной работы: разработать технологию неорганических веществ на основе серы и кремнеземсодержащего сырья с применением различных способов активации серного компонента. В связи с этим были поставлены следующие задачи:

- разработать технологии получения неорганических сульфидов и композиционных материалов на их основе с применением различного кремнеземсодержащего сырья;

- установить механизм образования неорганических сульфидов при различных условиях синтеза (активация серного компонента);

- изучить особенности химического взаимодействия и влияния модифицирующей добавки квантово-химическими методами.

Научная новизна.

1. В работе впервые получены неорганические вещества на основе элементной серы и кремнеземистых соединений в виде сульфидов. Показано, что применение электрофильного (хлорид алюминия) и нуклеофильных (сульфид кальция и силикат натрия) модификаторов способствует интенсификации процесса взаимодействия компонентов в системе.

2. Квантово-химическими методами установлено, что термодинамически устойчивыми являются сульфиды с одним или двумя атомами серы в цепи. Для серных цепочек с четным числом атомов (4 и более) в цепи характерно альтернирование коротких связей, с образованием дисульфидных «фрагментов» с более прочными и короткими связями.

3. Показана эффективность применения технологии неорганических веществ на основе сульфидов при получении серных композиционных материалов.

Практическая значимость:

Получены новые сульфиды на основе серы и кремнеземистых соединений, с применением различных методов активации компонентов.

Разработана технология композиционных материалов на их основе.

Разработанные технологии обеспечивают получение материалов с высокими физико-механическими свойствами и устойчивых к агрессивным средам, которые можно рекомендовать для использования в промышленном и гражданском строительстве. Себестоимость разработанных материалов на 30 - 50% ниже известных аналогов.

Показана возможность использования гибридного метода функционала плотности B3LYP, а также метода функционала плотности (DFT) для квантово-химических расчетов в системе сера - кремнеземсодержащие соединения. Результаты работы могут быть использованы при получении различных сульфидов, оптимизации их технологии и составов.

Апробация работы. Результаты исследований опубликованы в 12 работах, докладывались на международном научном семинаре "Экологическая безопасность регионов России" (Пенза, 2000г.); на 3 European Congress Of Chemical Engineering ECCE-3 (Nurenberg, Germany, 2001); на международной научно-технической конференции по ТНВ

Менделеевск-Казань, 2001); на 15 th International Congress of Chemical Engineering CHISA-2002 (Czech Republic, Praha, 2002) на 17 Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Казань,2003г); на международной научной конференции "Молекулярные подвижные системы" (Казань -Йошкар-ола, 2003г.), на 16 th International Congress of Chemical Engineering CHISA-2004, Czech Republic, Praha, 2004. Автор выражает признательность своему научному руководителю, профессору Ахметову Т.Г. и научному консультанту доценту кафедры химии КГ АСА Порфирьевой Р.Т., за помощь и поддержку на всех этапах проведения работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка использованных литературных источников и приложений. Работа изложена на 198 страницах машинописного текста, содержит 17 таблиц, 76 рисунков и 5 приложений. Список использованных источников включает 138 наименований. На защиту выносятся:

Заключение диссертации по теме «Технология неорганических веществ», Юсупова, Алсу Ансаровна

159 ВЫВОДЫ

1. Рассмотрена и доказана возможность применения различных механизмов активации серы (повышение температуры, использование нуклеофильных и электрофильных модифицирующих добавок) для получения высококачественных СКМ. Методами физико-химического анализа и квантово-химическими исследованиями установлено, что высокие физико-механические свойства разработанных материалов обусловлены интенсификацией разрыва серного кольца, образованием активных серных радикалов и химического взаимодействия компонентов, что способствует формированию плотной однородной структуры материала.

2. Впервые установлено влияние поверхностной модификации силикагеля электрофильным агентом - хлоридом алюминия для получения высококачественных СКМ. Показано, что хлорид алюминия является активатором раскрытия серного кольца, понижающим энергию активации процесса, и одновременно, способствующим химическому взаимодействию серы с поверхностным кремнием силикагеля. Установлено, что наиболее вероятным является внедрение серы по кислороду и кремнию, в результате которого образуются полисульфиды с различным числом атомов в цепи. Квантово-химическими расчетами установлено, что наиболее термодинамически устойчивыми являются полисульфиды с двумя атомами серы. Определено, что связывание силикаге левых фрагментов осуществляется посредством сшивки дисульфидной серой, которая приводит к созданию полых глобул, способных прочно удерживать несвязанную серу и созданию монолитного материала.

3. Использование нуклеофильных реагентов жидкого стекла и сульфидсодержащих материалов также приводит к активации серы и к химическому взаимодействию компонентов.

4. Разработаны технологии получения различных неорганических сульфидов и серных композиционных материалов на их основе с высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами.

5. Разработана технологическая схема производства СКМ. Произведена промышленная апробация разработанных материалов. Выполненными технико-экономическими расчетами показана экономическая эффективность разработанной технологии СКМ с высокими физико-механическими характеристиками и устойчивостью к агрессивным средам.

161

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Юсупова, Алсу Ансаровна, 2004 год

1. Sulfur in Organic and Inorganic Chemistry. A. Senning (Ed.). Vol. 1, 2, 3, N. Y., Marsel Dekker, 1972.

2. Organik sulfur Compounds, N. Kharasch (Ed.). Oxford London - New York- Paris, -p.320.

3. Elemental Sulfur, Chemistry and Physics. B. Meyer (Ed.). N. Y., Interscience Publ., 1965. p. 390.

4. Advances in Chemictry Series 110, Sulfur Research Trends. R. F. Gould (Ed.). Washington, D. C., 1972. p.251.

5. W. A. Pryor. In: Mechanism of Sulfur Reaction. New York San Fracisco -Toronto - London, McGraw-Hill Book Co., 1962, - p. 335.

6. Реакции серы с органическими соединениями /Под ред В.Н.Воронкова. Новосибирск. Наука, 1979. - 638 с.

7. Химическая технология неорганических веществ: Учеб. пособие для вузов/.Ахметов Т. Г., Бусыгин В. М., Гайсин Л.Г., Порфирьева Р. Т.; Под. ред. Ахметова Т. Г. М.: Химия, 1998. - 488 с.

8. Королев Е.В., Прошин А.П., Соломатов В.И. Серные композиционные материалы для защиты от радиации. Пенза. ПГАСА, 2001. - 208 с.

9. Волгушев А.Н. Серное вяжущее и композиции на его основе.// Бетон и железобетон, -и 1997. №5 -с.51.

10. Волгушев А.Н. Серный бетон и его применение в строительстве.// Бетон и железобетон. 1995. - №7. - с. 25.

11. Баженов Ю. М. Технология бетона. М.: Высшая школа, 1987. - 414 с.

12. Химия поверхности кремнезема: строение поверхности, активные центры, механизмы сорбции. / Чуйко А. А., Горлов Ю. И. И. др., АН Украина Ин-т химии поверхности. Киев. Наука думка, 1992. - 248 с.

13. В. Ф. Киселев О. В. Крылов Адсорбционные процессы на поверхности полупроводников и диэлектриков. М.: Наука, 1978. - 256 с.

14. Алесковский В. Б. Стехиометрия и синтез твердых соединений. Л.: Изд-во ЛГУ, 1987.- 138 с.15.