WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


1 Электронный научно-информационный журнал «Вестник Отделения наук о Земле РАН» №1(21)2003 URL: http://www.scgis.ru/russian/cp1251/h_dgggms/1-2003/informbul-1/mineral-24.pdf РЕАКЦИЯ РАБОЧИХ ТЕЛ С КВАРЦЕМ ПРИ ЕГО ОБРАБОТКЕ В МЕЛЬНИЦЕ СО СТАЛЬНОЙ ФУРНИТУРОЙ Ф.Х.Уракаев Объединенный институт геологии, геофизики и минералогии СО РАН, Новосибирск, 630090, пр. акад. Коптюга, 3;

e-mail: urakaev@uiggm.nsc.ru Новосибирский государственный университет, Новосибирск, 630090, ул. Пирогова, 2 Резюме: Проведено численное моделирование механизма и кинетики химического взаимодействия стальных мелющих тел с обрабатываемыми частицами природного кварца в шаровой планетарной мельнице в условиях доступа воздуха в механохимический реактор. Показано, что наряду с измельчением и аморфизацией поверхности частиц кварца, имеет место механохимический синтез силикатов железа из оксидов кремния и железа. Субмикронные частицы железа и оксида железа образуются в результате абразивно-окислительного износа стальной фурнитуры мельницы частицами кварца. Оцененная толщина образующегося слоя силикатов железа на поверхности частиц кварца составляет ~2 нм.

Ключевые слова: механохимические реакторы, абразивно-окислительный износ стальных мелющих тел, численное моделирование, силикаты железа, модифицирование поверхности частиц кварца В последние годы наблюдается быстрый рост исследований как по моделированию явлений механической активации (МА) [1-3], так и по переработке геологических материалов методами МА [3,4]. При этом непосредственная роль мелющих тел в протекании процессов МА ограничивается, как правило, только констатацией возможности загрязнения продуктов МА материалом мелющих тел [3]. Поэтому целью настоящей работы было исследование влияния материала мелющих тел на протекание (МА) кварца. Для МА применялась стальная шаровая планетарная мельница НПО "Механобр" [5]. Отношение массы шаровой загрузки М к массе кварца М1 было принято равным 4 при М + М1 = 480 + 120 = 600 г. В ряде контрольных опытов использовалась шаровая планетарная мельница АГО-2 [2,4]. Чтобы определить возможные формы присутствия железа в частицах кварца, МА материал подвергали кислотному травлению, отмытые от элементарного железа образцы исследовали рутинными методами анализа (РФА, Электронная микроскопия, ЯГР- и ИК-спектроскопия).

Контрольный опыт (рис. 1) показывает наличие абразивного износа железа. Из табл. 1 следует, что ~90% железа присутствует в МА образцах в кислотно-растворимой металлической фазе. Видно также, что суммарный износ стальной фурнитуры мельницы может доходить до ~5% (~7 г), а зависимость количества натертого железа от времени обработки не является линейной. Отклонение от линейности связано с явлением самофутеровки мелющих тел [1], степень которой возрастает с ростом удельной поверхности обрабатываемого материала (см.

табл. 1 и рис. 2) и обеспечивает частичную защиту мелющих тел от износа.

Таблица Содержание железа в образцах кварца Время Удельная Содержание железа m и m#, в массовых % активации, поверхность весовым, после после травления минут S(), м2/г активации cпектрография микрозонд# 0 (~0.01) (0.06) - 5 1*/1 1.43 0.10 10 5.3*/4.6 2.68 0.18 0.15 6.8*/2.7 3.74 0.24 0.30 7.2*/2.7 3.90 0.41 0.60 7.2*/2.7 4.50 0.52 90 7.2*/2.7 5.14 0.64 0.*) удельная поверхность после дезагрегации; #) данные микрозонда.

S, м2 / г 7 Рис. 1. РФА аморфного образца 0 5 10 15 20 25 кварца механически активированного (МА) 12 мин в мельнице Рис. 3. Э/м частицы кварца, МА, минут АГО-2.

10 мин, 25 кВ/х4800.

Рис. 2.

В результате абразивно-окислительного износа частицы Fe и FeO (окисление кислородом воздуха) образуются в наноразмерном виде и адсорбировируются на значительно более крупных частицах кварца. С другой стороны известно [6], что некоторый поверхностный слой частиц кварца в процессе МА аморфизуется. Как механизм аморфизации, так и значение толщины аморфизованного слоя являются предметом длительной дискуссии [6-8].

Из табл. 1 видно, что отмытые от железа образцы представлены только частицами кварца (см. рис. 3) с очень незначительным содержанием железа в кислотно-нерастворимой форме (до ~0.6 или до ~0.75 г в пересчете на Fe). Некоторые данные о форме содержания железа были получены методами ЯГРС и ИКС. ЯГРС проводили на спектрометре МС1104ЕМ при комнатной температуре в режиме постоянных ускорений: внутренняя часть спектра описывается квадрупольным дуплетом параметры сверхтонких взаимодействий которого указывают, что железо занимает две неэквивалентные позиции в решетке кварца - D1 и D2: для первого дуплета параметры изомерного сдвига ( ~ 0.648 мм/с) и квадрупольного расщепления ( ~ 1.054 мм/с) показывают, что ионы железа Fe2+ находятся в суперпарамагнитной фазе; значения сверхтонких параметров второго дуплета ( ~ 0.835 мм/с и ~ 2.8 мм/с) относятся к ионам Fe2+, находящимся в высокоспиновом состоянии. Заселенность этих двух позиций ионами железа зависит от времени МА. Согласно [8-10] такое положение ионов железа в кварце может быть объяснено только образованием силикатов железа.

Подтверждают образование силикатов железа и данные ИКС исходных и прошедших МА образцов кварца. Измерения проводились на ИК-спектрометре «Satellite FTIR» фирмы «Mattson» (USA). Отличий по полосам связей Si-O-Si и O-Si-O для сравниваемых образцов не обнаружилось. Однако, в МА образце появляется полоса ~833 см-1, которую приписывают связи Si-O-Me [11], и исчезает полоса отвечающая связи Si-OH (~881 см-1) в исходном кварце.

Поскольку отдельная фаза силикатов железа не обнаруживается, то они могут быть представлены только в аморфизованном поверхностном слое МА частиц кварца. Используя данные табл. 1 нетрудно оценить среднее значение толщины <> слоя силикатов железа на поверхности частиц кварца для случая их равномерного распределения: <> = am / S() m / S(), где m –относительное (в %) содержание железа в отмытых образцах, a/ 1, где a 2.5 ( ) – отношение молекулярного веса силикатов к таковой для железа, – плотность силикатов. Cледует иметь ввиду, что значения m и могут быть только занижены, поскольку растворимость аморфизованных слоев МА частиц кварца, а следовательно и силикатов железа, в кислотах достаточно высокая по сравнению с исходными частицами кварца [6,7].

Установленные средние значения <> не превышают толщину аморфизованного слоя активированных частиц кварца, определенных другими методами ~2 нм [6]. Это позволяет утверждать, что аморфизованный слой на поверхности МА частиц кварца составлен в значительной мере из силикатов железа и получен, в отличие от [8], за счет абразивно-окислительного износа стальных мелющих тел. Более того, синтез силикатов железа, имеющий место на ударнофрикционном контакте обрабатываемых частиц кварца по модельному механизму [5], скорее всего и приводит к образованию аморфизованного слоя, толщина которого также согласуется с результатами проведенного моделирования в [5]. Метод использования наноразмерных частиц при абразивном износе материала мелющих тел, как реагента в механохимических реакциях, может найти широкое применение для вскрытия и переработки широкого класса геологических и техногенных материалов.

Работа поддержана грантами «Университеты России» - UR.06.01.001; РФФИ 01-03-32834, 01-05-65048, 02-03-32109, 03-03-32271); Интеграционным грантом СО РАН.

Литература 1. Urakaev F.Kh. Powder Technology. 2000. V. 107. Nos. 1-2 & 3, pp. 93-107 & 197-206.

2. Chattopadhyay P.P., Pabi S.K. Materials Chemistry and Physics. 2001. V. 68. Nos. 1-3, pp. 85-94.

3. Suryanarayana C. Progress in Materials Science. 2001. Vol. 46. Nos. 1-2, pp. 1-184.

4. Уракаев Ф.Х. и др. Химия в интересах устойчивого развития. 2002. Т. 10. № 3. С. 365-373.

5. Кетегенов Т.А., Тюменцева О.А., Уракаев Ф.Х. Доклады НАН РК. 2003. № 1. С. 67-72.

6. Ходаков Г.С. Физика измельчения. - М.: Наука, 1972.

7. Tkacova K. Mechanical activation of minerals. - Amsterdam: Elsevier Sci. Publ., 1989.

8. Koch C.B., Jiang J.Z., Mrup S. Nanostructured Materials. 1999. V. 12. Nos. 1-4, pp. 233-236.

9. Химические применения Мёссбауэровской спектроскопии. - Москва: Мир, 1970.

10. Верещак М.Ф., Жетбаев А.К. и др. Физика твердого тела. 1972. Т. 14. № 10. С. 3082-3083.

11. Лазарев А.Н. и др. Колебательные спектры: Силикаты и их аналоги. - Л.: Наука, 1975.

Вестник Отделения наук о Земле РАН - №1(21)Информационный бюллетень Ежегодного семинара по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии 2003 года (ЕСЭМПГ-2003) URL: http://www.scgis.ru/russian/cp1251/h_dgggms/1-2003/informbul-1/mineral-24.pdf Опубликовано 15 июля 2003 г.

© Отделение наук о Земле РАН, 1997 (год основания), При полном или частичном использовании материалов публикаций журнала, ссылка на "Вестник Отделения наук о Земле РАН" обязательна











© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.