Неорганическая химия

аспирант Мамченков Е.А., д.т.н., профессор Акаев О.П.

Костромской государственный университет им. Н.А. Некрасова

ИК-спекроскопический анализ кремнегеля – побочного продукта производства фторида алюминия.
На Череповецком ОАО «Аммофос» при производстве фторида алюминия в результате взаимодействия кремнефторводородной кислоты с гидроксидом алюминия при температуре 90-95оС образуется диоксид кремния (кремнегель)

H2SiF6 + 2 Al(OH)3 = 2 AlF3 + SiO2 + 4 H2O

Кинетика этого процесса лимитируется скоростью химической реакции гидролиза гексафторсиликат – иона (Еакт = 83,8 кДж/моль) [1].

В производствееных условиях оксид кремния (IV), так называемый кремнегель, отделяют на ленточном фильтре от пересыщенного раствора фторида алюминия. На 1 т AlF3 образуется около 0,36 т сухого SiO2, который транспортируется в отвал. По подсчетам научно-исследовательского центра по проблемам управления ресурсосбережением и отходами в России производство фтористого алюминия образует кремнегеля 0,850-2,850 т/т продукции [2].

Все известные методы, направленные на утилизацию кремнегеля условно группируются по трем основным направлениям [3]:

1.          получение активного кремнеземного наполнителя;

2.          термохимическая обработка кремнегеля суспензией гидроксида кальция с получением ряда строительных материалов  или растворами гидроксидов щелочных металлов с получением жидкого стекла и других продуктов;

3.          использование кремнегеля в составе композитов без предварительной модификации.

Однако, несмотря на целый ряд исследований, предпринятых в последние годы по утилизации кремнегеля, а так же испытаний, проведенных в лабораторных условиях, созданные технологические решения не были реализованы в промышленности. Возможным объяснением трудностей реализации таких решений в промышленных масштабах явилось недостаточная изученность химического и фазового состава предмета исследования. Предпринятые в данной работе исследования по изучению вещественного состава кремнегеля позволяет в более полной мере раскрыть его состав и наметить пути промышленного использования.

Важной проблемой утилизации кремнегеля, является непостоянство химического и, соответственно, фазового состава получаемого продукта. Это связанно с периодическим способом его производства. Несмотря на исполнение требований технологического регламента производства, каждая операция разложения гидроксида алюминия кремнефторводородной кислотой несет свои специфические особенности, приводящие к существенному изменению состава конечного продукта. Следует предположить, что при проведении операции разложения гидроксида алюминия кремнефтористоводородной кислотой вследствие снижения по каким – то причинам (например, увеличение интенсивности перемешивания реакционной массы) индукционный период кристаллизации фторид алюминия может быть существенно снижен. Это вызывает его раннюю кристаллизацию и повышенное загрязнение кремнегеля. Следует отметить, что такое преждевременное выделение кристаллов фторида алюминия приводит к безвозвратным потерям целевого продукта -  AlF3·3H2O

Одним из эффективных методов идентификации состава химических соединений является метод ИК-спектроскопии. При качественном анализе силикатных материалов наличие в спектре характеристических полос для различных кремнекислородных групп позволяет идентифицировать эти группы.

Анализ образцов кремнегеля проводили на спектрометре Avatar 360 FT-IR ESP. На рис. 1 изображены результаты ИК-спектроскопических исследований. В структурах с изолированными SiO44- -группами полосы поглощения связей Si-O находятся в интервале 900-1000 см-1, в трехмерных структурах поглощение Si-O связей наблюдается в области 1050-1200 см-1, у кристобалита 1010-1260 см-1, у кварца 980-1200 см-1, у кварцевого стекла 1027-1195 см-1. Полоса поглощения в области 3400-3500 см-1 свидетельствует о наличии слабо связанной воды в структуре кремнегеля.

 

Рис. 1 ИК – спектроскопические результаты испытаний образцов кремнегеля.

Приведенные экспериментальные данные показывают, что осадок, полученный взаимодействием гидроксида алюминия с кремнефтористоводородной кислотой, представляет собой высокодисперсный диоксид кремния и может быть использован в различных отраслях промышленности – как наполнителя резин, пластмасс, лакокрасочных материалов, так и для изготовления жидкого стекла и сорбента.

Литература:

1.                 Мурашкевич А.Н. Кремнийсодержащие продукты комплексной переработки фосфатного сырья / Мурашкевич А.Н., Жарский И.М. – Минск : БГТУ, 2002. – 389 с.

2.                 Сборник удельных показателей образования отходов производства и потребления [отв. исп. Дюкин В.А.]. – М.: 1999. – 65 c.

3.                 Бердышева Н.А, Тюрин Ю.Н., Агеева М.А. О некоторых физико-химических свойствах двуокиси кремния, получаемой из H2SiF6 – кислоты // Журн. прикл. химии. – 1967. Т. 40, вып. 2. – С. 429-431