Способ получения пористых усов α-AlO с использованием отходов свинцово-цинкового производства Российский патент 2020 года по МПК C01F7/42 C30B29/20 C30B29/62 C22B7/04 C04B35/65 

Изобретение относится к способам получения пористых усов α-Al₂O₃ (корунда) с использованием отходов свинцово-цинкового производства и может быть использовано в качестве исходных материалов для производства сорбентов, фильтров, носителей катализаторов, термостойких материалов.

Наиболее распространенным методом получения усов корунда является окисление частиц алюминиевого порошка во влажном водороде [Грибков, B.Н. Рост усов α-Al₂O₃ при окислении алюминия / Грибков В.Н., Исайкин А.С., Уманцев Э.Л., Щетанов Б.В. // Неорганические материалы.- T.VIII(7). - C. 1249-1253]. Над расплавом алюминия, находящимся в лодочке из высокоглиноземистого материала при температуре 1300-1500°С, пропускают смесь паров воды и водорода, в результате чего алюминий окисляется до субокиси, которая возгоняется, а в последствии в «холодной» зоне печи диспропорционирует до оксида алюминия, осаждающегося в виде нитевидных кристаллов.

К недостаткам метода можно отнести высокие температуры синтеза нитевидных кристаллов.

Известен способ получения усов α-Al₂O₃ спеканием алюминия с оксидом бора или его соединений, разлагающихся с получением оксида бора, и оксида титана при температуре от 800°С до 1300°С в течение 1-10 часов [US 6036930, опубл. 14.03.2000].

К недостатку указанного способа следует отнести использование в процессе синтеза усов α-Al₂O₃ дорогостоящих материалов и длительность процесса.

В качестве ближайшего аналога выбран способ получения усов α-Al₂O₃ спеканием порошков алюминия и различных оксидов: вольфрама, кремния, молибдена [Ng, D.H.L. Formation of micron-sized and nanometer-sized single crystal alumina whiskers by displacement reactions / D.H.L. Ng, Yu P. e.a. // Journal of the European Ceramic Society. - 2006. - V. 26. - P. 1561-1565]. Порошки смешивают, формуют в форме дисков диаметром 10 мм и толщиной 2 мм при давлении в диапазоне 200-500 МПа, затем термообрабатывают в диапазоне температур от 800 до 1150°С в атмосфере аргона в течение 2 часов. Таким способом получают усы длиной 50-500 мкм.

К недостатку указанного способа следует отнести использование в процессе синтеза усов α-Al₂O₃ дорогостоящих материалов и длительность процесса.

К недостатку всех перечисленных выше способов следует отнести отсутствие пористой структуры уса корунда.

Техническим результатом заявляемого изобретения является разработка способа получения пористых усов α-Al₂O₃ с использованием отходов свинцово-цинкового производства - более экономичного и экспрессного по сравнению с существующими способами получения усов корунда.

Технический результат достигается тем, что в способе получения пористых усов α-Al₂O₃ с использованием отходов свинцово-цинкового производства, представляющем термообработку предварительно отформованной в виде цилиндров смеси оксидсодержащих порошков с алюминием, включающую нагрев до температуры 1150°С с последующей выдержкой смеси при этой температуре и охлаждение, новым является то, что в качестве матрицы для роста усов используют отходы свинцово-цинкового производства, содержащие, мас.%: 50,1-SiO₂, 12,1-K₂O, 11,1-Al₂O₃, 9,3-Fe₂O₃, 8,5-SO₃, 2,9-TiO₂, 1,9-СаО, 1,4-MgO, 0,9-Cl, 0,47-PbO, 0,3-P₂O₅, 0,15-ZnO, фракции 0,071 мм, нагрев смеси ведут со скоростью 20°С в минуту и выдерживают при заданной температуре 30 минут.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается тем, что в качестве матрицы для роста усов используют отходы свинцово-цинкового производства, содержащие, мас. %: 50,1-SiO₂, 12,1-K₂O, 11,1-Al₂O₃, 9,3-Fe₂O₃, 8,5-SO₃, 2,9-TiO₂, 1,9-СаО, 1,4-MgO, 0,9-Cl, 0,47-PbO, 0,3-P₂O₅, 0,15-ZnO, фракции 0,071 мм, нагрев смеси ведут со скоростью 20°С в минуту и выдерживают при заданной температуре 30 минут.

Эти признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».

При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не выявлены, и поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».

Заявляемый способ получения пористых усов α-Al₂O₃ с использованием отходов свинцово-цинкового производства осуществляется следующим образом.

В качестве матрицы для роста усов используют отходы свинцово-цинкового производства, содержащие, мас.%: 50,1-SiO₂, 12,1-K₂O, 11,1-Al₂O₃, 9,3-Fe₂O₃, 8,5-SO₃, 2,9-TiO₂, 1,9-СаО, 1,4-MgO, 0,9-Cl, 0,47-PbO, 0,3-Р₂О₅, 0,15-ZnO, которые после дополнительного измельчения и просеивания через сито 0,071 мм, смешивают с гранулированным алюминием, формуют с усилием прессования 5 кН образцы цилиндров диаметром 10 мм и высотой 20 мм. Термообработку ведут по следующему режиму: нагрев до температуры 1150°С со скоростью 20°С в минуту, выдержка при этой температуре 30 минут и дальнейшее охлаждение в печи.

Выращенные по этому способу усы α-Al₂O₃ имеют форму, показанную на фигуре 1 (фотография игольчатой формы усов с каплями металла на их вершинах).

Тщательное исследование микроструктуры продольного среза образца уса α-Al₂O₃ на электронном микроскопе S 5500 подтверждает пористую структуру ножки уса (фигура 2 - микроструктура продольного среза ножки уса при x100k увеличении).

Верхняя часть, капля уса α-Al₂O₃, как показал рентгенофазовый анализ, состоит из расплава алюминия, кремния, железа и окиси алюминия.

Предлагаемый способ получения пористых усов α-Al₂O₃ с использованием отходов свинцово-цинкового производства поясняется конкретным примером его осуществления.

Пример 1. К 2 г отходов свинцово-цинкового производства, фракции +0,071 мм, содержащих 50,1-SiO₂, 12,1-K₂O, 11,1-Al₂O₃, 9,3-Fe₂O₃, 8,5-SO₃, 2,9-TiO₂, 1,9-СаО, 1,4-MgO, 0,9-Cl, 0,47-PbO, 0,3-P₂O₅, 0,15-ZnO, добавляют 0,2 г гранулированного алюминия марки ПА-3, тщательно перемешивают. Из полученной шихты формуются образцы цилиндров диаметром 10 мм, высотой 20 мм при усилии формования равном 5 кН. Сушка образцов совмещается с процессом термообработки по режиму: нагрев до температуры 1150°С со скоростью 20°С в минуту, выдержка при этой температуре 30 минут, охлаждение в печи (высокотемпературная печь марки ВТ1500 с хромид-лантановыми нагревателями).

Полученные усы обламывают с поверхности термообработанных образцов и подвергают анализу на электронном микроскопе S 5500. Тщательное исследование микроструктуры полученных усов α-Al₂O₃ подтверждает их пористую структуру (фигура 2).

Электронно-микроскопические исследования верхней капли уса свидетельствуют о ее сложном фазовом составе (таблица 1), включающем алюминий, кремний, железо и окись алюминия (фигура 3 – электронно-микроскопический снимок застывшей капли сверху уса. (1 - низ капли, 2 - средняя часть капли, 3 - верхняя часть капли)).

Разработанный способ получения пористых усов α-Al₂O₃ с использованием отходов свинцово-цинкового производства является более экономичным по сравнению с существующими способами получения корунда, поскольку при его осуществлении используются отходы свинцово-цинкового производства, а время выдержки при заданной температуре сокращено до 30 минут.

Изобретение может быть использовано в производстве сорбентов, фильтров, носителей катализаторов, термостойких материалов. Для получения пористых усов α-Al₂O₃ с использованием отходов свинцово-цинкового производства проводят термообработку предварительно отформованной в виде цилиндров смеси оксидсодержащих порошков с алюминием. Термообработка включает нагрев до температуры 1150°С, последующую выдержку смеси при этой температуре и охлаждение. Нагрев смеси ведут со скоростью 20°С в минуту и выдерживают при заданной температуре 30 минут. В качестве матрицы для роста усов используют отходы свинцово-цинкового производства фракции 0,071 мм, содержащие, мас.%: 50,1-SiO₂, 12,1-K₂O, 11,1-Al₂O₃, 9,3-Fe₂O₃, 8,5-SO₃, 2,9-TiO₂, 1,9-СаО, 1,4-MgO, 0,9-Cl, 0,47-PbO, 0,3-Р₂О₅, 0,15-ZnO. Изобретение позволяет исключить необходимость использования дорогостоящих материалов для синтеза пористых усов α-Al₂O₃, сократить длительность процесса. 1 табл., 1 пр., 3 ил.

Способ получения пористых усов α-Al₂O₃ с использованием отходов свинцово-цинкового производства, представляющий термообработку предварительно отформованной в виде цилиндров смеси оксидсодержащих порошков с алюминием, включающую нагрев до температуры 1150°С с последующей выдержкой смеси при этой температуре и охлаждение, отличающийся тем, что в качестве матрицы для роста усов используют отходы свинцово-цинкового производства, содержащие, мас.%: 50,1-SiO₂, 12,1-K₂O, 11,1-Al₂O₃, 9,3-Fe₂O₃, 8,5-SO₃, 2,9-TiO₂, 1,9-СаО, 1,4-MgO, 0,9-Cl, 0,47-PbO, 0,3-Р₂О₅, 0,15-ZnO, фракции 0,071 мм, нагрев смеси ведут со скоростью 20°С в минуту и выдерживают при заданной температуре 30 минут.