Перегляд повідомлення

Науковці лабораторії нанокристалічних структур Інституту магнетизму НАН України та МОН України спільно з колегами із навчально-наукової лабораторії технологій переробки промислових відходів Київського національного університету будівництва і архітектури створили інноваційну технологію та установку для феритизації – коагуляції і подальшої кристалізації колоїдних розчинів заліза з утворенням феритів, – призначену для перероблення відпрацьованих травильних розчинів, використаних у промисловості, зокрема металургійній. Для очищення стічних вод учені запропонували оригінальний енергоощадний електромагнітно-імпульсний спосіб активації феритизації, за якої витрачається на 40% менше енергоресурсів – порівняно із традиційною термічною технологією. Створена лабораторна установка передбачає комп’ютерне регулювання режимних параметрів генерації електромагнітних імпульсних розрядів. Якість очищеної води відповідає вимогам до її повторного використання на виробництві. Осади феритизаційного водоочищення (переважно це Fe₃O₄) мають феримагнітні властивості. Крім традиційної утилізації на металургійних підприємствах, їх – залежно від якості – можна застосовувати у різних галузях промисловості, зокрема в системах зберігання інформації, радіочастотних і радарпоглинальних виробах, а також для створення будівельних матеріалів і конструкцій, що екранують електромагнітне випромінення, – бетону, штукатурки, порошкових лакофарбових покриттів. Деталі розповідаємо далі.

Автори цієї розробки велику увагу приділяють впровадженню технологічних прийомів отримання феровмісних (залізовмісних) сполук (з цього погляду, особливо цікаві частинки магнетиту (Fe₃O₄) та маггеміту (ɣ - Fe₂O₃)), тож поставили собі за мету розробити енергоощадну методику перероблення рідких промислових відходів і, використовуючи змінні магнітні поля, визначити раціональні параметри вилучення цінних феритних сполук.

Нині відомі різноманітні методи отримання феровмісних сполук (феримагнітних частинок). Традиційні методи ґрунтуються на твердофазній взаємодії оксидів, гідроксидів або солей важких металів і мають недолік – вони енергетично витратні, адже потребують високих температур і витримки. Особливо цікаві методи, які для отримання таких матеріалів не потребують вартісного обладнання, великих енергетичних і матеріальних витрат. Один із перспективних методів отримання таких структур – метод гідрофазної феритизації. Його суть полягає в створенні у феровмісних розчинах умов, що сприяють швидкому формуванню дисперсних речовин. Недоліком гідрофазної феритизації є її високотемпературність (75 °С і вище) (рис. 1, зображення ліворуч). Альтернатива термічній гідрофазній феритизації – активація процесу змінними магнітними полями (ЗМП) за кімнатної температури (рис. 1, зображення праворуч). Цей спосіб запропонували фахівці Київського національного університету будівництва і архітектури – керівник навчально-наукової лабораторії переробки промислових відходів доктор технічних наук, професор Геннадій Кочетов і старший науковий співробітник цієї лабораторії кандидат технічних наук, доцент Дмитро Самченко. У своїх дослідженнях вони отримували частинки різного фазового складу, структура яких містить іони нікелю, цинку та міді. Спільно з ученими Інституту магнетизму НАН України та МОН України – завідувачем лабораторії нанокристалічних структур кандидатом фізико-математичних наук Дмитром Деречею та провідним науковим співробітником цієї лабораторії кандидатом фізико-математичних наук Юрієм Скиртою – співробітники університету створили оригінальну установку та підібрали оптимальні режими активації процесу низькочастотними магнітними поліями.

Рисунок 1. Схема установок для гідрофазної феритизації: ліворуч – із термічною активацією процесу; праворуч – активація змінним магнітним полем

Перебіг гідрофазної феритизації залежить від чинників, які визначають тип первинних зародкових структур, їхнє подальше формування й розвиток з утворенням стійких сполук. Це – вихідна концентрація іонів важких металів, значення рН, температур, тривалість процесу, витрати окисника та спосіб активації реакційної суміші. Крім того, перелічені чинники або впливають на стійкість тієї чи тієї модифікації моногідратів і оксидів важких металів у цих умовах, або спричинюють їхню трансформацію в іншу, стійкішу сполуку в лужному середовищі.

Як вихідну сировину для отримання феровмісних сполук методом феритизації дослідники відпрацювали сірчанокислотний розчин травлення сталевих поверхонь, отриманий із виробництва. Науковці вивчали процес отримання твердофазних сполук феритизацією за різних вихідних концентрацій іонів феруму в розчині. Аби досягти необхідних значень концентрацій, до травильного розчину домішували технічну воду; рН корегували розчином гідроксиду натрію. Процес феритизації тривав від 5 до 30 хв. Fe²⁺ в Fe³⁺ частково окиснювались аерацією реакційної суміші киснем повітря. Ступінь їхнього вилучення з реакційної суміші сягнула 99,96 %. Очищений у такий спосіб водний розчин можна повторно використовувати на гальванічному виробництві згідно із граничними допустимими концентраціями іонів важких металів.

Для створення змінних магнітних полів науковці розробили керований генератор прямокутних імпульсів на основі плати мікроконтролера ATmega328p. Вихідну напругу імпульсів із виходів контролера подавали на двокаскадний підсилювач – для подальшого живлення електромагніту. Робочі частоти становили F=0,1–10 Гц, напруженість магнітного поля – 0,02–0,3 Тл.

Процес феритизаційного перероблення відпрацьованих травильних розчинів з отриманням кристалічних сполук учені досліджували як із традиційною термічною активацією реакційної суміші за температури 75 °С, так і з активацією реакційної суміші у змінному магнітному полі за кімнатної температури з робочим об’ємом реакторів 1 дм³. Показано, що отримані осади мають сферолітичну структуру (рис. 2) із розмірами до 100 мкм.

Рисунок 2. Мікроструктури осадів, отриманих гідрофазною феритизацією: ліворуч – із термічною активацією процесу; праворуч – активація змінним магнітним полем

Дослідивши фазоутворення в системі Fe²⁺ – OH^- – O₂ при переробленні відпрацьованих травильних розчинів феритизацією, науковці встановили його залежність від ключових технологічних параметрів процесу утворення фаз – значення величини рН, тривалості процесу та вихідної концентрації іонів феруму в реакційній суміші. Дослідження якісного й кількісного складу осадів феритизації методом рентгенівської дифрактометрії дало змогу виявити FeOОН, δ-FeOОН, Fe₃O₄, ɣ - Fe₂O₃ у структурі фаз (рис. 3). Автори роботи також визначили технологічні параметри процесу, за яких у структурі осадів формуються однофазові сполуки магнетиту або маггеміту. 

Рисунок 3. Рентгенограми отриманих осадів: ліворуч – термічна; праворуч – активація змінним магнітним полем

Результати роботи свідчать про те, що активація змінними магнітними полями змінює процес формування фазових переходів залежно від технологічних параметрів феритизації. А це суттєво впливає на техніко-економічні показники отримання стійких проміжних феритних сполук. Окрім того, завдяки своїй великій енергоощадності активація змінними магнітними полями дає змогу на понад 60% (порівняно з термічною активацією) зменшити витрати електроенергії під час реакції феритизації. Це суттєво здешевлює створену технологію, а отже, робить її інвестиційно привабливою. Зокрема, показано, що традиційна активація процесу потребує нагрівання до 75^оС за енерговитрат 90 Вт/дм³, тоді як активація змінним магнітним полем здійснюється за кімнатної температури з енерговитратами близько 27 Вт/дм³.

*     *     *

Автори досліджень і їхня розробка. Зліва направо: доктор технічних наук Геннадій Кочетов, кандидати фізико-математичних наук Дмитро Дереча та Юрій Скирта, кандидат технічних наук Дмитро Самченко

За інформацією Інституту магнетизму НАН України та МОН України