Диатомит как природный наноматериал (стр. 3 из 5)

3. Класс Mediatophyceae объединяет формы, переходные между Centro-phyceae и Pennatophyceae; большинство из них известно в ископаемом состоянии, единичные роды встречаются ныне в морях. Диатомовые водоросли – наиболее распространённая в природе группа водорослей. Начиная с юрского периода известны многочисленные ископаемые диатомовых водорослей, образующие мощные отложения, так называемые диатомиты.

4. ДИАТОМИТОВЫЕ ВОДОРОСЛИ И НАНОТЕХНОЛОГИИ

В настоящее время всё возрастающее внимание во всем мире уделяется перспективам развития нанотехнологий, то есть технологий направленного получения и использования веществ и материалов в диапазоне размеров до 100 нанометров. Особенности поведения вещества в виде частиц таких размеров, свойства которых во многом определяются законами квантовой физики, открывают широкие перспективы в целенаправленном получении материалов с новыми свойствами, такими как уникальная механическая прочность, особые спектральные, электрические, магнитные, химические, биологические характеристики.

Примерно 15 лет назад диатомовые водоросли привлекли внимание химиков, специализирующихся в области нанотехнологии. Помимо микроскопических размеров (рисунок 2), уникальным свойством диатомовых водорослей оказалось размножаться необычайно высокими темпами, и их разнообразие форм, и наличие крупных месторождений диатомита. Правда, наибольшее значение придается искусственно получаемым, «стандартизованным» материалам с кремнеземными структурами строго определенной формы. Они могли бы использоваться как уникальные фильтры, катализаторы и сорбенты с заданным размером пор, микрокапсулы для лекарств, упрочняющие наполнители композитов, дифракционные решетки оптических датчиков и др.Еще более захватывающие возможности открывает создание структур, повторяющих трехмерный кремнеземный скелет, но имеющих иной химический состав. Задача их создания к простым не относится: ведь кремнезем нерастворим в обычных минеральных кислотах, кроме фтористоводородной, и устойчив ко многим химическим реагентам. Недаром стеклянная посуда (а основа стекла – кремнезем и силикаты) много веков верой и правдой служит исследователям в химических лабораториях.

Рисунок 2 – панцири диатомовых водорослей. Увеличение Х2000

Для решения задачи потребовались новые, матричные методы и не самые «ходовые» реагенты, но химики-неорганики уже провели первые эксперименты в этом направлении.

Сначала SiO₂удалось заменить на MgO, для этого диатомит выдерживали 4 часа в парах магния при 900°С. Реакцию можно выразить уравнением:

SiO₂ (тв.) + 4Mg (г.) = 2MgO (тв.) + Mg₂Si (ж.).

В оригинальной публикации указано, что силицид магния выделялся в жидком виде, что позволяло легко отделить его от основного продукта. Температура плавления Mg₂Si превышает 1000 °С, так что температура синтеза, вероятно, была более 900 °С. Получать трехмерные структуры с воспроизводимой геометрией другим путем, например послойным напылением с помощью молекулярных пучков, в принципе возможно, однако уж очень сложно и дорого.

Более впечатляющим успехом явилось создание трехмерной структуры, повторяющей скелет водоросли, но состоящей из анатаза – одной из форм TiO₂. Диоксид титана – уникальное вещество, обладающее свойствами фотокатализатора. Развитая поверхность диоксида титана, его микропористая структура значительно усиливают каталитическое действие. Для замены кремния на титан, была использована :

SiO₂ (тв.) + TiF₄ (г.) = SiF₄ (г.) + TiO₂ (тв.)

Успеху способствовало то, что оба тетрафторида летучи (TiF₄ сублимирует при нагревании до 285 °С, а SiF₄ – всего при 91 °С). Насколько полно при этом воспроизводится форма микрообразования можно увидеть на приведенной ниже фотографии (рисунок 3)

.

Рисунок 3 – Созданная из анатаза TiO₂ структура (а),повторяющая скелет водоросли (б)

5. ПРИЗВОДСТВО ДИАТОМИТОВЫХ ИЗДЕЛИЙ

Для применения диатомовых водорослей в нанотехнологиях необходимо провести еще много исследований и опытов.

А на сегодняшний день диатомит широко используется как сырьё для жидкого стекла, глазури, теплоизоляционного кирпича и др.; в качестве строительных тепло- и звукоизоляционных материалов, добавок к некоторым типам цемента; полировального материала (в составе паст) для металлов, мраморов и т.д.; как инсектицид, вызывающий гибель вредителей и т. д.; в качестве носителя катализаторов, в качестве наполнителя в чистящих и абсорбирующих средствах, удобрениях; и пенодиатомитовая крошка; для производства товарного бетона, строительных растворов и сухих строительных смесей различного назначения; являются природными активными минеральными добавками (АМД).

Рассмотрим получение пенодиатомитовыех изделий. Пример: кирпич пенодиатомитовый теплоизоляционный. Предназначен для тепловой изоляции сооружений, промышленного оборудования (электролизных ванн, плавильных печей, котлов, трубопроводов и т.п.) при температуре изолируемой поверхности до 900 ⁰С. Кирпич относится к группе негорючих материалов и может быть использован для противопожарной защиты стальных, железобетонных и деревянных конструкций, а также в жилищном и гражданском строительстве. Кирпич пенодиатомитовый применяется в строительстве в качестве утеплителя на кровле, используется при возведении кирпичных перегородок и межквартирных ненесущих стен.

5.1 Диатомитовые изделия, получаемые способом пенообразования

К эффективным высокотемпературным теплоизоляционным материалам относятся пенодиатомитовые изделия. Их производство складывается из следующих технологических операций: сушка диатомита, помол, смешивание с водой, получение шликера, приготовление устойчивой пены, смешивание шликера с пеной и получение пеномассы, формование изделий, их сушка и обжиг. Схема технологического процесса производства пенодиатомовых изделий представлена ниже (рисунок 4).

Для приготовления диатомового шликера, пены и их смешивания применяют трехкорытную мешалку. Шликер из молотого диатомита приготовляют в одном из двух верхних корыт. В шликере содержится 55–60% воды. Продолжительность перемешивания составляет 10–15 мин. В корыто сначала вливают воду, а потом при работающей мешалке одновременно подают воду и диатомит. Во втором верхнем приготовляют пену. В это корыто заливают клееканифольную эмульсию или экстракт мыльного корня. Пену взбивают 7–8 мин. В третьем (нижнем) корыте смешивают пену со шликером, в результате чего получают пеномассу. Соотношение между количеством пены и шликера устанавливают в зависимости от объемного веса изготовляемых изделий. Шликер и пену смешивают в течение 4–5 мин. Для изделий с меньшим объемным весом следует брать большее количество пены.

Пена, как правило, должна быть стойкой, что необходимо для сохранения ячеистой структуры изделий до обжига, и иметь мелкие пузырьки, по возможности одинаковых размеров. При соблюдении этих условий пенодиатомитовые изделия приобретут мелкую равномерную пористость и могут быть использованы для теплоизоляции поверхностей, нагретых до высокой температуры.

Изделия формуют разливкой пеномассы в металлические формы, находящиеся на формовочной машине. Во избежание прилипания пеномассы к стенкам формы последние смазывают отработанным машинным маслом, раствором парафина в керосине или нефтью. В размерах форм необходимо учитывать значительную величину воздушной и огневой усадки.

Пенодиатомитовые изделия сушат в туннельных и камерных сушилках. Изделия подсушивают в формах, так что испарение влаги происходит только с той плоскости изделия, которая не закрыта формой. Для уменьшения усадки изделий и ускорения их сушки в пенодиатомовую массу вводят древесные опилки (отощающая добавка). После того как пенодиатомовые изделия приобретут необходимую прочность и твердость, их вынимают из формы. Влажность изделий составляет при этом 15–20%.

Диатомит

Раствор пенообразователя

Помол и сушка (мельница-сушилка)

Приготовление пенодиатомовой массы (трехбарабанная пенобетономешалка)

Формование изделий (разливочная машина)

Сушка (туннельная сушилка)

Обжиг (туннельная печь)

Оправка изделий (циркульная пила)

Упаковка изделий (упаковочные столы)

Склад готовой продукции

Рисунок 4 – Схема технологического процесса производства пенодиатомовых изделий

Обжигают пенодиатомитовые изделия в туннельных печках при такой же температуре, что и диатомовые изделия с выгорающими добавками, то есть при 850–900°С, но продолжительность обжига пенодиатомовых изделий больше – до 50 час. При обжиге пенодиатомовых изделий в отличии от обжига изделий с выгорающими добавками затрвчивается топливо. Расход условного топлива при этом достигает 70 кг на 1000 шт. пенодиатомового кирпича нормального размера. Вследствие малой прочности пенодиатомовых изделий высота их садки в печи должна быть меньше, чем изделий с выгорающими добавками. Пенодиатомовые изделия в результате значительной усадки их при сушке и обжиге приобретают неправильную форму и неточные размеры. Поэтому обычно эти изделия подвергаются опиловке.

Пенодиатомовые изделия обладают некоторыми преимуществами перед диатомовыми изделиями с выгорающими добавками: они имеют меньший объемный вес, более низкий коэффициент теплопроводности, меньшую газопроницаемость (их поры закрыты), большую механическую прочность. Но поскольку производство пенодиатомовых изделий значительно сложнее, чем изделий с выгорающими добавками, то производство пенодиатомовых изделий представляется целесообразным только в тех районах, где нет местных выгорающих добавок.

5.2 Диатомитовые изделия, получаемые способом выгорающих добавок