Способ изготовления пеностекла с повышенным содержанием ионов меди Российский патент 2024 года по МПК C03C11/00 C03B19/08 A01N59/20 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области промышленной переработки отходов стекла и может быть использовано для получения пеностекла с повышенным содержанием соединений меди. Благодаря фунгицидной активности соединений меди, пеностекло, полученное по предлагаемому способу, может найти широкое применение в растениеводстве, строительной отрасли, ландшафтном дизайне.

Уровень техники

Фунгицидная активность соединений меди хорошо известна [1 - 4], в том числе известно фунгицидное действие силикатов меди различного состава [5 - 8], которые образуются в процессе синтеза силикатных стекол путем встраивания ионов меди (содержащихся в веществах, добавляемых в исходную шихту) в кремнекислородный каркас стекла [9].

Известен способ изготовления цветного пеностекла, который включает измельчение отходов силикатного стекла, смешивание их с измельченным карбонатсодержащим газообразователем - известняком, доломитом или мелом, предварительно пропитанным водным раствором азотнокислой соли одного из переходных металлов (в том числе, меди), укладку полученной шихты в металлическую форму и вспенивание при температуре 830-970°С с последующим отжигом и охлаждением [10]. Недостатком данного способа является ограничение количества ионов меди, которые могут быть введены в пеностекло. Это ограничение накладывается выбранным способом введения ионов. Количество вводимого в шихту газообразователя, состоящего, в основном, из карбоната кальция, относительно невелико: от 2 до 5 мас.%. Следовательно, количество ионов меди, которое этот карбонат кальция теоретически способен поглотить (при условии его полного превращения в карбонат меди в результате реакции с нитратом меди), будет столь же невелико - не более 2,5 мас. %. В описании изобретения [10] не указывается, какое именно количество ионов меди содержит пеностекло, окрашиваемое по предлагаемому способу, но на практике не следует ожидать, что в процессе пропитывания весь карбонат кальция полностью превращается в карбонат меди, поскольку протеканию химической реакции на границе раздела между жидкой (раствором нитрата меди) и твердой (нерастворимым в воде карбонатом кальция) фазами могут препятствовать различные диффузионные ограничения.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей изобретения является разработка способа изготовления пеностекла, которое содержит ионы меди в повышенных концентрациях и может служить источником пролонгированного высвобождения этих ионов в процессе эксплуатации с целью обеспечения фунгицидной защиты объектов растениеводства (при использовании пеностекла в качестве добавки к субстратам), строительных материалов (при использовании в качестве заполнителя бетонов или добавки к отделочным или другим подобным материалам), строительных конструкций (при использования в качестве утеплителя стен и перекрытий зданий). Медленное высвобождение ионов меди, достигаемое за счет их частичного связывания в структуре пеностекла в виде малорастворимых соединений (силикатов различного состава) будет способствовать снижению остроты проблемы загрязнения окружающей среды. Например, в растениеводстве благодаря пролонгированному высвобождению ионов меди из структуры пеностеклянного субстрата во влажной среде вследствие гидролиза, будет обеспечиваться их постоянный приток к растениям в небольших безопасных количествах, что позволит сократить частоту массовых обработок фунгицидными препаратами. В строительной отрасли антигрибковые свойства блочных или насыпных утеплителей также позволят избежать частых фунгицидных обработок.

Технический результат достигается тем, что по способу изготовления пеностекла с повышенным содержанием соединений меди, включающему измельчение отходов силикатного стекла, смешивание их с измельченным карбонатсодержащим газообразователем, предварительно пропитанным водным раствором соли меди, укладку полученной шихты в металлическую форму, вспенивание, отжиг и охлаждение, в шихту вводится дополнительное количество соединений меди, которые в процессе термического разложения способны выделять газообразные вещества, и дополнительная вспенивающая добавка - нитрат натрия. Использование соединений меди, разлагающихся с выделением газообразных веществ, позволяет, помимо основной задачи повышения концентрации ионов меди в пеностекле, увеличить общий объем газов, которые в процессе вспенивания формируют пористую структуру материала. Также с целью увеличения пористости пеностекла исходная шихта увлажняется, а процесс вспенивания осуществляется в режиме быстрого нагрева.

Краткое описание чертежей.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, на которых представлены:

на фиг. 1. - состав шихты для получения пеностекла с повышенным содержанием соединений меди,

на фиг. 2 - полученные образцы пеностекла с повышенным содержанием соединений меди,

на фиг. 3 (а, б, в) - примеры использования пеностекла с повышенным содержанием соединений меди в ландшафтном дизайне.

Осуществление изобретения.

Изготовление пеностекла поясняется следующим примером.

Отходы стекла (стеклобой) промываются, высушиваются, измельчаются и подвергаются тонкому помолу, характеризуемому остатком не более 5 мас. % на сите с размером ячейки 0,063 мм.

В качестве газообразователя в исходную шихту вводится карбонат кальция в виде мела в количестве 2 мас. %. Газообразователь измельчается, подвергается тонкому помолу аналогично отходам стекла, в течение одного часа пропитывается 5% водным раствором сульфата меди, высушивается до постоянной массы и подвергается повторному тонкому помолу.

В качестве дополнительного соединения меди, способного в процессе термического разложения выделять газообразные вещества, применяется сульфат меди, который подвергается тонкому помолу аналогично отходам стекла и газообразователю. Сульфат меди вводится в образцы исходной шихты в количествах 3, 5 и 10 мас. % (в пересчете на медь; без учета ионов меди, поглощенных газообразователем в процессе пропитывания).

Нитрат натрия, также подвергнутый тонкому помолу, вводится в исходную шихту в наибольшем рекомендуемом количестве - 3 мас. % [11].

После смешения всех компонентов к полученной шихте, состав которой представлен на диаграмме (фиг. 1), добавляются вода (около 35 мас. %) и небольшое количество синтетического поверхностно-активного вещества, после чего смесь подвергается дополнительному тонкому помолу и высушивается при температуре 100°С в течение 10 мин. Целью добавления воды и поверхностно-активного вещества является достижение наибольшей гомогенности шихты в процессе помола.

Непосредственно перед вспениванием исходная шихта увлажняется и укладывается в металлические формы, внутренняя поверхность которых обработана пастой на основе каолина. Увлажнение шихты способствует увеличению пористости получаемого пеностекла за счет образования в процессе вспенивания газообразного продукта - водяного пара [12].

Вспенивание шихты осуществляется в электропечи в режиме быстрого нагрева от комнатной температуры до рабочей, составляющей 900°С (формы с шихтой загружаются в предварительно прогретую печь). Быстрый нагрев применяется для достижения той же цели - увеличения пористости, которое происходит благодаря интенсивному выделению газообразных продуктов в результате практически одновременного протекания трех процессов термического разложения:

1. Процесса термического разложения нитрата натрия (температура разложения: около 400°С, продукт разложения: кислород),

2. Процесса термического разложения сульфата меди (диапазон температур разложения: 650 - 700°С, продукты разложения: кислород и диоксид серы),

3. Процесса термического разложения газообразователя карбоната кальция (диапазон температур разложения: 600 - 900°С, продукт разложения: диоксид углерода).

Расчеты, выполненные на основании стехиометрических соотношений веществ, участвующих в указанных процессах термического разложения, и продуктов их разложения, показывают, что по сравнению с прототипом [10], в котором единственным источником газообразных веществ является газообразователь (количество которого в шихте не превышает 5 мас. %), предлагаемый способ получения пеностекла благодаря термическому разложению двух дополнительных компонентов и образованию водяного пара обеспечивает примерено в два раза больший (по объему) выход газообразных продуктов.

Отжиг проводится в течение одного часа при рабочей температуре, охлаждение - в течение пяти часов.

Техническим результатом изобретения являются образцы пеностекла, окрашенные в оттенки синего цвета и обладающие пористой структурой (фиг. 2). Средняя плотность полученных образцов составляет 1,38 г/см³ (по ГОСТ 9758-2012 «Заполнители пористые неорганические для строительных работ. Методы испытаний»). Водопоглощение пеностекла возрастает с увеличением концентрации ионов меди в его структуре (табл. 1).

Полученные данные позволяют сделать следующие выводы:

1. Среди изученных образцов пеностекла наиболее подходящим для применения в растениеводстве в качестве добавки к субстратам является пеностекло, обладающее наибольшим водопоглощением и содержащее ионы меди в концентрации 10 мас. % (образец №3). Декоративные свойства пеностекла позволяют также рекомендовать его для использования в ландшафтном дизайне (фиг. 3).

2. Для применения в строительной отрасли наиболее подходящим является пеностекло с наименьшим водопоглощением и содержанием ионов меди 3 мас. % (образец №1).

Перечень использованных источников информации

1. Изобретение RU 2527307 С2. Фунгицидные композиции на основе солей меди.

2. Изобретение ЕР 1471787 В2. Kupfer(ii)-salz-zusammen setzungen und ihre verwendung fiir die bekampfung von pflanzenpathogenen pilzen.

3. Изобретение US 4075326 A. Fungicidal/algicidal composition for nonmedical uses.

4. Изобретение RU 2265331 C2. Фунгицидная композиция.

5. Изобретение 012032 В1. Новые функциональные силикаты переходных металлов (FTMS).

6. Изобретение US 9314030 В2. Particulate wood preservative and method for producing same.

7. Изобретение CN 108812681 B. Pesticidal compositions and methods related thereto.

8. Изобретение JP 6833836 B2. Sterilizing and mold-killing composition.

9. Soorani M. Structural effects of incorporating Cu+ and Cu2+ ions into silicate bioactive glasses using molecular dynamics simulations / M. Soorani [et al.]. - DOI: 10.1039/D2MA00872F // Materials Advances. - 2023. - Vol. 4. - P. 2078-2087. - URL: https://www.researchgate.net/publication/369347359_Structural_effects_of_incorp orating_Cu_and_Cu_ions_into_silicate_bioactive_glasses_using_molecular_dyna mics_simulations (дата обращения: 05.08.2023).

10. Изобретение RU 2513823 C1. Способ изготовления цветного пеностекла.

11. Изобретение RU 2417958 С1. Способ получения пеностекла и состав для пеностекла.

12. Suzuki М. Use of hydrothermal reactions for slag/glass recycling to fabricate porous materials / M. Suzuki [et al.]. - DOI: 10.1016/j.coche.2013.08.006 // Current Opinion in Chemical Engineering. - 2014. - Vol. 3. - P. 7-12. - URL: https://www.researchgate.net/publication/259171222_Use_of_hydrothermal_reacti ons_for_slagglass_recycling_to_fabricate_porous_materials (дата обращения: 05.08.2023).

Изобретение относится к области промышленной переработки отходов стекла. Полученное пеностекло с повышенным содержанием соединений меди благодаря известной фунгицидной активности ионов меди может найти применение в различных сферах: растениеводстве, строительной отрасли, ландшафтном дизайне. Пеностекло получают методом вспенивания при температуре 900°С исходной шихты, состоящей из: 85-92 мас.% отходов стекла, подвергнутых тонкому помолу, 2 мас.% карбонатного газообразователя, предварительно пропитанного 5% водным раствором соли меди, не менее 3 мас.% дополнительного количества соединений меди (в пересчете на медь), которые в процессе термического разложения способны выделять газообразные вещества, 3 мас.% дополнительной вспенивающей добавки - нитрата натрия. Пеностекло, содержащее в своей структуре 10 мас. % ионов меди и обладающее высоким водопоглощением, может быть рекомендовано для применения в растениеводстве в качестве добавки к субстратам, а также для применения в ландшафтном дизайне. Другое пеностекло, содержащее 3 мас. % ионов меди и обладающее пониженным водопоглощением, может быть рекомендовано для применения в строительной отрасли в качестве утеплительного материала или добавки к различным строительным материалам (бетонам, штукатурке и т.д.). Техническим результатом изобретения является получение пеностекла с пролонгированным высвобождением ионов меди в процессе эксплуатации с целью обеспечения фунгицидной защиты объектов. 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл., 1 пр.

1. Способ изготовления пеностекла, содержащего ионы меди, включающий измельчение отходов силикатного стекла, смешивание их с 2 мас.% измельченного карбонатсодержащего газообразователя, предварительно пропитанного 5% водным раствором соли меди, укладку полученной шихты в металлическую форму, вспенивание, отжиг и охлаждение, отличающийся тем, что в шихту дополнительно вводят соединения меди в количестве не менее 3 мас.% в пересчете на медь, которые в процессе термического разложения способны выделять газообразные вещества, и дополнительно - вспенивающую добавку нитрат натрия в количестве 3 мас.%, исходную шихту увлажняют, процесс вспенивания осуществляют при загрузке форм с шихтой в печь, предварительно прогретую до температуры 900°С, с выдержкой при этой температуре в течение 1 часа.

2. Способ изготовления пеностекла по п. 1, отличающийся тем, что количество соединений меди, которые в процессе термического разложения способны выделять газообразные вещества, составляет 10 мас.% в пересчете на медь.

3. Способ изготовления пеностекла по п. 1, отличающийся тем, что количество соединений меди, которые в процессе термического разложения способны выделять газообразные вещества, составляет 3 мас.% в пересчете на медь.