Литературный обзор

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ	3
ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1 Основные свойства стекол их состав и применение	5
2 Основы современной технологии получения стекла	11
3 Основные проблемы переработки отходов стекла	14
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1. Исследование химической структуры стекол	19
2 Исследования по составу расплавов различных видов стекол	27
ЗАКЛЮЧЕНИЕ	30
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА	31

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. На сегодняшний день одной из важнейших проблем человечества в целом и нашего государства в частности является проблема переработки отходов стекольных материалов с целью получения новых, экономически дешевых веществ с желаемыми для потребителя свойствами. Бездумное и бесконтрольное распространение стекольных отходов таких как: утильная стекольная тара, отходы стеклорезных мастерских, автомобильные свалки, можно было бы перевести спланированное, научнообоснованное и экономически выгодное производство. К тому же экологическая и санитарно-эпидемиологическая составляющие этой проблемы для крупных населенных пунктов достаточно велики. Следует отметить, что обычное оконное стекло - это ценное исходное сырье для получения таких важных компонентов как кремнезем, оксид натрия, едкий натр и поташ. Переработка стекольных отходов в минеральные вещества может стать альтернативой дорогостоящему электролизному способу получения этих веществ. Создание научных принципов химической переработки стекольных материалов поставит это направление на прочную фундаментальную основу, что сделает данное научное направление перспективным и конкурентоспособным в недалеком будущем.

Научная новизна. В данной исследовательской работе нами впервые, на экспериментальной основе была предпринята попытка получения новых минеральных веществ путем термического охлаждения отходов стекольных отходов. Мы предприняли попытку подвергнуть высокотемпературной плавке бытовые стекольные отходы такие как обычное известково-натриевое стекло. Обычно в процессе изготовления стекла состав шихты в основном представлен двумы веществами - это углекислый натрий (Na2CO3), или углекислый калий, который понижает точку плавления шихты до 1000 градусов и окись кальция СаО которая способствует предотвращению взаимной растворимости компонентов стекла при высокой температуре. Подобный состав имеет почти 90 % производимого в мире стекла. Таким образом, если стекольную массу подобного состава расплавить, а затем очень медленно охлаждать, то из исходной смеси будут выкристаллизовываться силикаты натрия, кремнезем, а также оксиды натрия и калия.

Переработка отходов стекольных веществ является одним из важных направлений в улучшении и сохранении окражающей среды, в то же время достигается значительная экономия минеральных ресурсов.

Теоретическая значимость работы заключается в том, что опытным путем на экспериментальной основе была предпринята попытка получения новых минеральных веществ путем термического охлаждения отходов стекольных отходов. Мы предприняли попытку подвергнуть высокотемпературной плавке бытовые стекольные отходы таких как обычное известково-натриевое стекло. Следует отметить, что до настоящего времени не проводилось систематических исследований по методам переработки таких стекольных отходов как известково-натриевое и натриево-силикатноестекло. Повсеместные свалки данных отходов приводят к значительному загрязнению биосферы. Следует отметить, что стекло имеет еще одно важное свойство - выщелачиваться, будучи погруженным, в раствор минеральной кислоты. Данное свойство стекла, может быть, использоваться как дополнительный способ извлечения ионов щелочных металлов из стекольной массы.

Цель работы заключается в исследовании процессов термической переработки стекольных отходов с целью получения новых минеральных веществ, таких как силикаты натрия, кремнезем, а также оксиды натрия и калия, которые можно будет использовать в качестве товаров народного хозяйства, а также решения ряда экологических проблем. В связи с этим мы поставили следующие задачи:

- экспериментально определить температуры начала кристаллизации силиката натрия, кремнезема, оксидов натрия и калия;

- выделить эти вещества в свободном состоянии;

- провести экспериментальную оценку возможности извелечения ионов щелочных металлов из стекольной массы;

- провести экологическую и эколого-экономическую оценку предлагаемого направления, а также экологический мониторинг и химическую экспертизу используемого стекольных отходов.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1 Основные свойства стекол их состав и применение

Материалистическое понятие стекла – однородное аморфное тело, которое получается при охлаждении стекломассы. Простой пример – берем кубик сахара, нагреваем его до жидкого состояния, а затем охлаждаем. Сахар теряет свою первоначальную кристаллическую структуру и становится аморфным веществом.

В чистой форме, стекло – это прозрачный, износостойкий, относительно прочный, крайне инертный и биологически неактивный материал, обладающий очень гладкой поверхностью. Эти свойства стекла приводят к очень широкому его использованию в различных областях. Есть также некоторые негативные качества – стекло очень хрупкий материал, при разрушении распадается на мелкие и острые частички. Однако эти свойства стекла могут быть модифицированы, или даже изменены полностью, путем добавления других компонентов в состав исходной смеси или термической обработкой. Обычное стекло содержит в своем составе примерно 70% диоксида кремния, который в таком же виде содержится в кварце, и в его поликристаллической форме, песке.

Основная характеристика обычного стекла – это его прозрачность для видимого спектра света (чем обладают не все стекловидные материалы). Данная характеристика является следствием отсутствия электронных переходов по всей длине рассеивания света, вблизи всего спектра видимого света. Благодаря внесению дополнительных компонентов в состав стекла, можно изменять его пропускную способность для различных длин волн светового излучения.

Чистое SiO2(или кварцевое) стекло не поглощает ультрафиолетовое излучение и используется для изделий, которые требуют прозрачности в этой области. Стекло такого типа, будучи изготовленным в виде волоконного оптического кабеля, является абсолютно прозрачным в инфракрасных длинах волн и может передавать сигнал, почти без потерь, на сотни километров.

Аморфный SiO2 также используется как диэлектрик в интегральных схемах.

Разнообразные марки стекла, полученные с применением различных добавок, широко используются в различных оптических приборах ( фотообъективах, микроскопах, биноклях …), не говоря уже о традиционных областях его применения.

Чистый кремнезем (SiO2) имеет точку плавления примерно 2000 градусов, и в основном используется для получения стекла для специальных приборов. Обычно в состав смеси добавляют еще два вещества, чтобы упростить процесс производства. Во первых – это углекислый натрий (Na2CO3), или углекислый калий, который понижает точку плавления смеси до 1000 градусов. Однако, эти компоненты способствуют растворению стекла в воде, что является крайне нежелательным. Поэтому в состав смеси добавляют еще один компонент – известь (окись кальция, CaO), чтобы придать составу нерастворимость. Такое стекло содержит примерно 70%-ый кремнезем и называется известково-натриевым стеклом. Доля такого стекла в общем объеме производства составляет примерно 90%.

Так же как известь и углекислый натрий, к обычному стеклу добавляют и другие компоненты, чтобы изменить его физические свойства. Добавление в стекло свинца – увеличивает показатель преломления света, заметно увеличивает блеск, а добавка в состав смеси бора – изменяет тепловые и электрические свойства стекла. Оксид тория придавал стеклу высокий показатель преломления и низкую дисперсию, что необходимо в производстве высококачественных линз, но из-за его радиоактивности был заменен на оксид лантана в современной продукции. Добавки железа в стекло, используются для поглощения инфракрасного излучения (тепла).

Металлы и их оксиды добавляют в состав стекла, чтобы изменить его цвет. Например, марганец добавляют в малых количествах, чтобы придать стеклу зеленый оттенок, или при более высоких концентрациях – цвет аметиста. Так же как и марганец, селен используют в малых дозах, чтобы обесцветить стекло, или в больших концентрациях – чтобы придать красноватый цвет. Малые концентрации кобальта придают стеклу синеватый оттенок. Оксид меди придает бирюзовый свет. Никель, в зависимости от концентрации, может придать стеклу синюю, фиолетовую или черную окраску. В зависимости от состава стекла, можно влиять на его окраску путем нагрева или охлаждения.

 

2 Основы современной технологии получения стекла

Стекловаренная печь. Ванная печь непрерывного действия. Конструктивно печь имеет варочный и выработочный бассейн, соединенные между собой по стекломассе протоком.

Для загрузки шихты и стеклобоя печь оборудована двумя загрузочными карманами, расположенными по ее боковым сторонам.

Варочный бассейн печи отапливается газообразным или жидким топливом. Для отопления газообразным топливом варочного бассейна, печь оборудована шестью горелками, расположенными с торцевой стены ванной печи, противоположной ее выработочной части.

Удаление дымовых газов из стекловаренной печи осуществляется через систему дымовых каналов, оснащенных дымовоздушными клапанами, трубой и дымососом.

Стекловаренная печь проточная. Производительность печи-70 тонн в сутки.

Технология получения стекла состоит из двух производственных циклов.

Цикл технологии стекломассы включает операции:

* подготовки сырых материалов;

* смешивания их в определённых соотношениях, в соответствии с заданным химическим составом стекла в однородную шихту;

* варки шихты в стекловаренных печах для получения однородной жидкой стекломассы.

3 Основные проблемы переработки отходов стекла

Проблема переработки стеклобоя в настоящее время стала одной из наиболее остростоящих и для этого есть причины:

·  во-первых, на производство стеклянной продукции требуются огромные энергозатраты;

·  во-вторых, стеклобой является одним из наиболее сложноутилизируемых отходов (наряду со сталью он может разрушаться десятки лет) и наносит значительный экологический ущерб.

Учитывая весомую долю стеклобоя в общем объеме ТБО - по некоторым оценкам, она достигает 20% только в Алматы скапливается до
30 000 тонн стеклобоя в год), возникает необходимость разработки технологий по использованию стекольных отходов. 

Приоритетным направлением применения стеклобоя (ввиду содержания в нем кремнезема, щелочных оксидов, Al2O3 и CaO) является получение вяжущих автоклавного и безавтоклавного твердения. Наиболее перспективным направлением в данной области является производство пеностекла — высокопористого неорганического теплоизоляционного материала, получаемого спеканием тонкоизмельченного стекла и газообразователя. Сырьем для его производства может служить как стеклобой, так стекломасса, сваренная из кварцевого песка, известняка, соды и сульфата натрия. При этом использование стеклобоя, из-за его низкой стоимости на российском рынке, ведет к значительному удешевлению производства. Благодаря тому, что пеностекло практически на 100 % состоит из стекла, оно имеет широкий температурный диапазон применения, является негорючим, стойким к агрессивным средам и не дает усадки. Поэтому и область его применения достаточно широка: от промышленного и гражданского строительства до атомной промышленности.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Исследование химической структуры стекол

Стекло, как материал известно, уже не­сколько тысячелетий, но до сих пор нет полной ясности в во­просе о том, какова его внутренняя структура. Это объясняет­ся сложностью и противоречивостью стеклообразного состоя­ния. Действительно, будучи на ощупь твердым, стекло тем не менее не принадлежит к «истинным» твердым телам, главны­ми признаками которых являются упорядоченность атомной структуры, правильное чередование структурных элементов («дальний порядок») и существование определенной темпе­ратуры плавления. С другой стороны, только твердость а хрупкость отличают стекло от обычных жидкостей. Так же, как и для жидкостей, для стекол не характерен «дальний по­рядок», но свойствен «ближний порядок», проявляющийся только на коротких расстояниях (несколько атомных диамет­ров).

Так же, как и жидкости, стекло изотропно, т. е. его свой­ства одинаковы по всем направлениям. Есть и другие качест­ва стекла, по совокупности которых его следует отнести ско­рее к жидкостям. Только стекло — это своеобразная жид­кость, жидкость, которая «быстро» прошла при охлаждении ту температуру, при которой она могла бы превратиться в кристаллическое твердое тело, но не превратилась, а «пере­охладилась» и отвердела (приобрела очень высокую вяз­кость), сохранив в той или иной мере структуру жидкости, не приобретая правильную структуру кристалла.

Теоретическое и экспериментальное исследования стеклообразного состояния сталкиваются с дополнительными, по сравнению с исследованиями «чистых» состояний, трудностя­ми. Это те же трудности, что до сих пор мешают созданию совершенной физической теории жидкости и исследованию ее структуры прямыми рентгеноструктурными методами, плюс трудности, вызванные особенностями стеклообразного состоя­ния как неравновесного состояния переохлажденной жид­кости.

К исследованию стекла привлекается весь арсенал мето­дов, используемых при изучении жидкостей и твердых тел. Есть прямые методы, дающие непосредственный ответ на не­которые вопросы, касающиеся структуры вещества, т. е, взаимного расположения тех или иных слагающих его эле­ментов. В применении к стеклу прямыми методами следует считать, например, некоторые модификации метода рентгеноструктурного анализа, электронографию и нейтронографию.

Косвенные методы основываются на измерениях электри­ческих и магнитных свойств, плотности, термических свойств, прочности, твердости, диффузии вещества через стекло, хи­мической устойчивости и обмена ионами между стеклом и раствором и т. д.

Нас будут интересовать электродные свойства стекол. Они обусловлены электрическими силами, действующими между составными элементами стекла, и проявляются в виде элек­трического потенциала, который приобретает стекло по отно­шению к окружающей среде — раствору.

Мы ограничимся в этом рассмотрении силикатными стек­лами, т. е. стеклами, состоящими в своей основе из кремне­зема. Такие стекла составляют подавляющую долю продукции мировой стекольной промышленности.

В природе встречается чистый и даже очень чистый крем­незем: кварц, кварцевый песок, горный хрусталь. Все это — кристаллические модификации кремнезема. Расплавлением их при очень высоких (до 20000С) температурах с последую­щим быстрым охлаждением получают стеклообразный кварц — кварцевое стекло, имеющее наряду с кристалличе­ским кварцем применения колоссальной важности.

Структурный элемент, лежащий в основе той и другой разновидности кремнезема, один и тот же («ближний поря­док»). Это узел SiO4/2, имеющий структуру тетраэдра с крем­нием в центре и четырьмя атомами кислорода в вершинах. Отдельно такой узел существовать не может и сочленяется через кислородные вершины с другими подобными узлами, сбразуя непрерывную трехмерную сетку. В кристаллическом кремнеземе элементы SiO4/2 в этой сетке расположены под определенными углами друг к другу и правильно чередуются в пространстве («дальний порядок»). В стекловидном кремне­земе взаимное расположение тетраэдров произвольное, сетка беспорядочная.

По своей структурной роли в стекле элементы, подобные кремнию, называются сетко - или стеклообразователями.

Мы остановились столь подробно на строении кремнезе­мистой сетки потому, что она в основном сохраняется во всехсиликатных стеклах. Однако исходным для наших исследова­ний электродных потенциалов стекол различного состава сле­дует считать не кварцевое стекло, а щелочносиликатно бинарное (двойное) стекло, состоящее из кремнезема и окиси щелочного металла — натрия, лития, калия, взятой в кон­центрации 15—33 мол. %.

Бинарные стекла получаются в результате химической реакции окиси щелочного металла (вернее, соединения окиси щелочного металла с каким-нибудь летучим окислом неме­талла — СО2, NO2 и т. п.) с кремнеземом. Эта реакция может быть изображена следующим образом (для соединений нат­рия):

х·Na2CO3 + y·SiO2 x·Na2O·ySiO2 + x·СО2

Если расплав смеси окислов, полученный в результате реакции, охладить очень медленно, из него при охлаждении выкристаллизовываются силикаты натрия и кремнезем; если его охладить быстро («закалить»), то получается стекло.

2 Исследования по составу расплавов различных видов стекол

В данной работе мы предприняли попытку изучить качественный и количественный состав различных стекол в ходе термической обработки. Поскольку одним из теоретических способов переработки стекла является термический способ. Исследуемые соединения подвергались термическому анализу, в ходе которого выяснялся фазовый состав и температурные превращения компонентов стекла.

Полученные соединения анализировали на оксид натрия, оксид калия, оксид алюминия и кремния (таблица 1).

Определение количественного содержания оксида натрия, оксида калия, оксида алюминия и кремния проводилось методом рентгеноструктурного анализа на дифрактометре ДРОН-2.

Таблица 1. Результаты рентгеноструктурного анализа различных видов стекол

Стекло	Найдено, %	Вычислено, %
Na2O	K2O	SiO2	Al2O3	Na2O	K2O	SiO2	Al2O3
Na2O·CaO·Al2O3·SiO2	24.9	7.0	28.2	10.1	23,9	6,6	28,9	9,6
Na2O·PbO·SiO2·Al2O3	34.9	3.7	30.7	10.1	34,8	4,3	31,2	10,4
Na2O·B2O3·K2O·SiO2·Al2O3	48.5	4.3	23.5	7.8	48,9	4,0	23,8	7,9

Продолжение таблицы 1 - Интенсивность и межплоскостные расстояния на рентгенограммах продуктов термического распада различных видов стекол

Продукты термолиза стекла состава Na2O·CaO·Al2O3·SiO2	Продукты термолиза стекла состава Na2O·PbO·SiO2·Al2O3
t=440	t=900	t=440 0C	t=900 0C
I, %	d,	I, %	d,	I, %	d,	I, %	d,
33	10.15	5	4,66	8	11.47	50	7,19
18	5.07	5	4,22	5	8.06	10	3,07
28	3.33	10	3,92	7	7.13	50	2,83
16	3.21	10	3,77	10	4.03	55	2,52
51	3.05	12	3,49	25	3.95	100	2,37
51	2.93	11	3,39	11	3.38	10	2,18
75	2.81	10	3,29	3	3.20	5	2,08
55	2.72	10	3,18	61	3.07	6	2,04
12	2.63	10	3,04	12	2.82	10	1,95
30	2.34	8	2,99	85	2.84	5	1,88
30	2.24	10	2,94	91	2.66	5	1,86
15	2.18	10	2,82	100	2.61	5	1,78
100	1.93	10	2,77	85	2.44	5	1,73
51	1.91	15	2,74	85	2.37	5	1,61

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данная работа посвящена проблеме переработки отходов стекла. Существующие методы переработки в основном связаны с физической обработкой стекла: измельчение, гранулирование, прессование. В данной же работе впервые исследуется возможность термического способа переработки отходов стекла, основанная на различиях в температуре плавления и кипения отдельных компонентов. Цель данной работы заключается в исследовании процессов термической переработки стекольных отходов с целью получения новых минеральных веществ, таких как силикаты натрия, кремнезем, а также оксиды натрия и калия, которые можно будет использовать в качестве товаров народного хозяйства, а также решения ряда экологических проблем.

1. В данной работе проведен литературный обзор по основным свойствам стекол, а также имеющимся на сегодняшний день способам их переработки.

2. Изучена химическая структура различных видов стекол. Показана теоретическая возможность извлечения из состава стекла таких веществ как оксиды натрия и калия с помощью растворов сильных минеральных кислот.

3. С помощью метода рентгеноструктурного анализа исследован химический и фазовый состав различных стекол. Было выяснено, что исследуемые стекла имеют искаженную кристаллическую структуру.

4. На основании проведенного термического анализа стекла конкретного качественного и количественного состава нами была выявлена практическая возможность выделения оксида натрия как основного и ценного продукта термической обработки стекла.

Данная работа является перспективным научным направлением поскольку затрагивает не только вопросы получения экономически дешевых неорганических веществ, но и проблемы улучшения экологической обстановки в регионах.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. «Химическая технология» М. «Мир» 1987 г.

2. текло. Издательство АН СССР. Москва. 1959.

3. , , Порай-Кошиц : природа и строение. «Знание». Ленинград. 1985

4. О природе стекла. «Природа» № 9. 1986

5. Безбородов и технология древних и средневековых стёкол. М., 1969

6. атериалы и ремесленные производства древнего Египта. М., 1958

7. Галибин стекла как археологический источник. Л., 1889

8. , Несветаева материалы. Учебно-справочное пособие (Серия «Строительство».) - Ростов Н/Д: изд-во «Феникс», 2004. - 608 с.

9. Горчаков материалы. Учеб. Для вузов. (ред. Строительные материалы и контрукции) - М.: Строиздат, 1986.- 688с.

10. Домокеев материалы. Учебник. - М.: Высш. школа, 1982.- 383с

11. http://5ballov. ru. Синтетические волокна.

12. http://referat. students. ru. Стекло печь.

13. http://referat. students. ru. Развитие стеклоделия.