Наночастицы — один из наиболее общих терминов для обозначения изолированных ультрадисперсных объектов, во многом дублирующий ранее известные термины (коллоидные частицы, ультрадисперсные частицы), но отличающийся от них четко определенными размерными границами. Твердые частицы размером менее 1 нм обычно относят к кластерам, более 100 нм к субмикронным частицам.
Ультрадисперсными называются системы, 1) содержащие частицы с размерами в субмикронном диапазоне, в частности, нанодиапазоне 2) в современной порошковой металлургии и керамике ультрадисперсной считается микроструктура сплавов с размером зерен от 200 до 500 нм.
Размерные границы ультрадисперсности строго не определены, и в разных областях знания в это понятие вкладывается несколько различное количественное содержание. Два наиболее распространенных подхода к размерности приведены выше в определении ультрадисперсной системы. Согласно второму из них, к субмикронным материалам относятся сплавы и порошки с размером зерна (кристаллитов) от 500 нм до 1,2 мкм, к наноструктурированным — с размером зерна менее 200 нм, а ультрадисперсные материалы занимают промежуточное положение между ними. Кристаллит твердое тело или субмикронных размеров, представляющее собой трехмерную периодическую решетку из атомов, ионов или молекул, ограниченное замкнутой поверхностью, за пределами которой изменена или нарушена ориентация кристаллической решетки, либо находится газообразная, жидкая фаза или вакуум. В данном случае поверхность — это граница раздела двух фаз (твердого тела, жидкости, газа).
Уменьшение частиц до нанометровых размеров приводит к проявлению в них так называемых «квантовых размерных эффектов», когда размеры исследуемых объектов сравнимы с длиной де-бройлевской волны электронов, фононов и экситонов. В сфероидальных наночастицах имеет место трёхмерное квантование уровней, что позволяет говорить, в зависимости от состава наночастиц, об образовании «квантовых точек», «квантовых кристаллитов» и других объектов с нулевой размерностью.
Присутствие в системе наноразмерных частиц способствует увеличению объема адсорбционно и хемосорбционно связываемой ими воды и уменьшению объема капиллярносвязанной и свободной воды, что приводит к повышению пластичности керамической массы и прочностных показателей.
Нами впервые был получен керамический кирпич с использованием кальцийсодержащих нанотехногенных сырьевых материалов: осадок-отхода, выпадающего в процессе реагентной обработки сточных вод, отхода пылиуноса, получаемого при производстве дорожных смесей на асфальтобетонном заводе, карбонатного шлама, получаемого при водоочистке питьевой воды и гальванического шлама, что подтверждено патентами РФ [1-4]. Оптимальное содержание исследуемых Таблица 1Химический состав компонентов нанотехногенных сырьевых материалов в керамических массах 35-40%. Химические составы исследуемых компонентов представлены в таблице.
|
Компонент |
Содержание оксидов, мас. % |
||||||
|
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
MgO |
R2O |
П.п.п. |
|
|
Осадок-отход, выпадающий в процессе реагентной обработки сточных вод |
4,5 |
7,4 |
7,2 |
42,4 |
2,8 |
0,5 |
34,2 |
|
Отход пыли-уноса, получаемый при производстве дорожных смесей на асфальтобетонном заводе |
11,0 |
1,5 |
3.8 |
35,2 |
9,1 |
─ |
39,2 |
|
Карбонатный шлам, получаемый при водоочистке питьевой воды |
19,16 |
10,4 |
1,51 |
47,54 |
8,0 |
0,2 |
21,08 |
|
Гальванический шлам |
4,8 |
14,3 |
3.7 |
36,8 |
2,1 |
12,47 |
24,8 |
|
Межсланцевая глина |
45-47 |
13-14 |
5-6 |
11-13 |
2-3 |
3-4 |
9-20 |
Для производства керамических материалов использовались: в качестве глинистого компонента – межсланцевая глина [5, 6].
Керамический кирпич готовили пластическим способом. Компоненты после прохождения сквозь сито №1 тщательно перемешивали и готовили шихту. Из увлажненной керамической шихты при влажности 20-22% формовали образцы в натуральную величину кирпича размером 250х120х65 мм. Сформованные образцы высушивали до остаточной влажности не более 5 %, а затем обжигали при температуре 1050оС.
Полученные кирпичи на основе межсланцевой глине, содержащие нанотехногенные сырьевые материалы без применения природных традиционных материалов, имеют марочность в пределах М125-175.
Если в используемых отходах содержится даже в небольшом количестве наночастичек, то энергию Гиббса можно записать в следующем виде [7, 8]:
Giнк=Giмаc.+σifi,, где Giнк и Giмаc. энергия Гиббса нанокристаллических и массивных фаз соответственно; σi и fi поверхностное натяжение и поверхность частиц i-й фазы соответственно.
Отсюда видно, что в системе появляется еще один независимый параметр – поверхность, а, следовательно, появляется дополнительная степень свободы [7, 8].
Эффект от внедрения наноразмерных частиц принципиально выражается в том, что в системе появляется не только дополнительная граница раздела, но и носитель квантовомеханических проявлений, что способствует повышению физикомеханических показателей.
При уменьшении размера зерен увеличивается общая величина поверхности раздела фаз, уменьшается средний радиус кривизны выпуклых участков, растет их избыточная поверхностная энергия, уменьшаются расстояния между источниками и поглотителями вакансий в системе [7, 8]. Экспериментальные исследования и богатый практические опыт керамических производств подтверждают важнейшую роль степени измельчения (или использования наноразмерных сырьевых материалов). За счет действия одного этого фактора удается в ряде случаев снизить требуемую температуру спекания на 200оС и более.
ВЫВОДЫ
Безусловным достоинством использования многотонажных нанотехногенных отходов является разгрузка экологической обстановки. Кроме того, осадок-отходы, выпадающие в процессе реагентной обработки сточных вод и карбонатный шлам, получаемый при водоочистке питьевой воды образуются повсеместно и накоплены в больших количествах по всей стране, что объясняется спецификой их получения и отсутствием разработок по масштабному применению.
Использование кальцийсодержащего нанотехногенного сырья: осадок-отхода, выпадающего в процессе реагентной обработки сточных вод, отхода пылиуноса, получаемого при производстве дорожных смесей на асфальтобетонном заводе, карбонатного шлама, получаемого при водоочистке питьевой воды и гальванического шлама в производстве керамических материалов на основе межсланцевой глины, способствует решению следующих задач:
а) утилизации промышленных отходов и техногенных отложений, что способствует охране окружающей среды; б) учитывая, что в настоящее время природные сырьевые ресурсы истощены, способствует вовлечению техногенных образований в производственный оборот для производства строительных материалов;
в) освобождению значительных земельных участков от воздействия негативных антропогенных факторов и рациональному использованию ингредиентов промышленных отвалов на объектах стройиндустрии;
г) снижению стоимости строительных материалов;
д) рациональному природопользованию за счет вовлечение отходов в производство керамических материалов;
е) созданию энерго и ресурсосберегающие технологии по производству строительных материалов; ж) сохранению и рациональному использованию имеющихся природных сырьевых ресурсов;
з) использованию накопленных и вырабатываемых отходов производства; е) снижению экологической напряженности в РК;
и) охране окружающей среды, и расширению сырьевой базы для получения строительных материалов;
к) исключает затраты на геологоразведочные работы, на строительство и эксплуатацию карьеров; л) снижение поступления в водную экосистему за счет атмосферных осадков тяжелые металлы, содержащихся в нанотехногенном сырье.
Список использованной литературы:
- Патент РФ RU №2481304 С2 С04В 33/132. Керамическая композиция для изготовления легковесного кирпича. Опубл. 10.05.2013. Бюл. № Авторы. Абдрахимов В.З., Абдрахимова Е.С.
- Патент РФ RU №2481303 С2 С04В 33/132. Керамическая композиция для изготовления легковесного кирпича. Опубл. 10.05.2013. Бюл. № Авторы. Абдрахимов В.З., Абдрахимова Е.С.
- Патент РФ RU №2346908 С2 С04В 33/132. Керамическая масса для изготовления керамического кирпича. Опубл. 20.02.2009. Бюл. № Авторы. Ковков И.В., Шевандо В.В., Абдрахимов В.З., Денисов Д.Ю., Абдрахимова Е.С., Абдрахимов А.В., Вдовина Е.В.
- Патент РФ RU №2410356 С1 С04В 33/132. Керамическая масса для изготовления керамического кирпича. Опубл. 27.01.2011. Бюл. № Авторы. Абдрахимов В.З., Ковков И.В., Абдрахимова Е.С.
- Абдрахимов, В.З. Использование отходов горючих сланцев в производстве теплоизоляционных материалов без применения природного сырья / В.З. Абдрахимов, И.Ю. Рощупкина, А.В. Колпаков // Экология и промышленность России. №3. С. 28-31.
- Абдрахимов, В.З. Исследование фазовых превращений на различных этапах обжига керамзита из межсланцевой глины / В.З. Абдрахимов, Д.Ю. Денисов // Известия вузов. Строительство. -2011. -№10 –С. 34-42.
- Абдрахимова, Е.С. Структурные превращения соединений железа в глинистых материалах по данным мессбауэровской спектроскопии / Е.С. Абдрахимова, В.З. Абдрахимов // Журнал физической химии. Т 80. №7. С. 1-8.
- Абдрахимова, Е.С. Особенности структурных превращений соединений железа в глинистых материалах различного химико-минералогического состава / Е.С. Абдрахимова, В.З. Абдрахимов // Материаловедение. №12. С 43-46.