CC BY
4УДК 620.193, 543.24, 544.08
ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВЕННОГО И КОЛИЧЕСТВЕННОГО СОСТАВА
КОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ ЧУГУНА
П.К. Савина
ФГБОУ ВО «Брянский государственный университет имени академика И.Г. Петровского»
Целью исследования являлось изучение качественного и количественного состава композитного сплава на основе чугуна. Для этого был проведен анализ литературных данных, который касается изучения поведения металлов и их сплавов на основе их химического состава в водных и кислых средах. Обоснован выбор материала чугуна в качестве объекта исследования. Оборудование, которое используется на различных предприятиях в основном изготавливается из металлических сплавов, в том числе-чугуна, поэтому важно знать, что именно входит в состав выбранного материала и количественное содержание тех или иных элементов в нем для дальнейшего изучения его стойкости в агрессивных средах при работе на технологическом оборудовании. Исследован качественный и количественный состав выбранного для исследования образца. Осуществлен выбор методов исследования коррозии чугуна в кислых растворах. Ключевые слова: сплав, чугун, агрессивная среда, коррозия, стойкость.
В современном мире без металлов и оборудования, которое изготавливается на их основе тяжело представить нашу технологическую промышленность. При использовании разного рода металлических изделий и сплавов мы сталкиваемся с коррозией. Под ней подразумевают самопроизвольный процесс взаимодействия металла с агрессивной средой, в результате чего изменяются и ухудшаются характеристики металла, вследствие чего портятся аппараты и машины на производстве, что приводит к прекращению работы.
Каждый год коррозия металла приводит к большим убыткам, следовательно, решение данной проблемы является важной задачей.
На целлюлозно-бумажном производстве данная проблема является достаточно актуальной, так как полученная техническими методами целлюлоза, например, картон и бумага, являются продуктами химической переработки сырья и древесины.
Использование целлюлозы лиственных пород древесины и макулатуры необходимо для получения данного рода продуктов [1]. Бумажную пульпу, которая является волокнистым материалом, можно получить механическим или химическим разделением волокон от той же самой древесины. Водный раствор бумажной пульпы, который содержит в себе ионы свинца, кадмия и др. с рН среды 2,5-3, является агрессивной средой, что можно использовать для исследования коррозионного поведения и стойкости испытуемого образца [2]. Образцы модифицированного чугуна были выбраны нами в качестве объекта исследования.
Целью настоящей работы являлось изучение качественного и количественного состава композита на основе чугуна.
Для реализации поставленной нами цели были решены следующие задачи:
- проведен анализ литературных данных, касающийся изучения поведения металлов и их сплавов на основе их химического состава в водных и кислых средах;
- обоснован выбор материала чугуна в качестве объекта исследования;
- исследован качественный и количественный состав выбранного для исследования образца.
При выполнении исследований использовали классические титриметрические методы анализа. В ходе анализа литературных данных по способам исследования коррозии в водных растворах, было установлено, что все методы исследования коррозионных процессов делятся на три группы [1]:
- эксплуатационные исследования (исследования машин, агрегатов и различного оборудования, средств защиты в условиях их дальнейшей эксплуатации);
- лабораторные исследования (испытания проходят в лабораториях, где воспроизводят различные эксплуатационные условия металлов и сплавов);
- внелабораторные исследования (испытания образцов в эксплуатационных естественных условиях, например, в море, на воздухе и т.п.).
На первоначальной стадии исследования коррозионного процесса нами было принято решение ограничиться лабораторными исследованиями. Так как объектом лабораторных исследований является металлический образец, возникла проблема поиска материалов, проявляющих коррозионную стойкость в кислой среде.
По данным, представленным в работах [2, 3], в качестве перспективного материала мы рассмотрели чугун, модифицированный шаровидным графитом.
Для определения химического состава образца к сплаву приливали 40-50 мл НКОз, затем ставили в вытяжной шкаф до его полного растворения и охлаждения. После чего добавляли около 20-30 капель дистиллированной воды и исследовали наличие тех или иных катионов в сплаве при помощи качественных реакций.
Для проверки на ионы железа (III) использовались:
Реакция с гидроксидом натрия, NaOH. Растворы гидроксидов щелочных металлов и аммиака осаждают Fе3+ в виде красно-бурого Fе(ОН)з или Fе2ОзxхН2О. Гидроксид железа(Ш) не растворим в щелочах, но легко растворяется в кислотах.
Методика проведения реакции: К 2-3 каплям раствора ионов железа добавляют 4-5 капель 2 моль/л раствора №ОН. Бе3+ + ЗОН- = Бе(ОН)з|
Аналитический сигнал: образование красно-бурого осадка [4].
Рис. 1. Реакция железа с гидроксидом натрия
Реакция с гексацианоферратом(П) калия, К4^е(С^в]- Ионы железа(Ш) с К4^е(С^б] в нейтральной или слабокислой среде (рН 2-7) образуют темно-синий осадок «берлинской лазури»:
К+ + Fе3+ + [Бе (СК)б]4- = ете^е(СК)б]
Осадок растворим в сильнокислых растворах и в присутствии большого избытка реагента. В щелочных растворах осадок разлагается с образованием Fе(ОН)з. Выполнению реакции мешает присутствие окислителей и восстановителей [5].
Реакция с тиоцианатом калия, КSСN. Тиоцианат-ионы с ионами Fе3+ в кислой среде образуют комплексные соединения, окрашенные в кроваво-красный цвет:
^е(ШО)б]3+ + nSСN- = ^е(ШО)б-п^СК)п]3-п + пШО
Рис. 2. Реакция железа с гексацианоферратом(П) калия
Состав внутренней сферы тиоцианатного комплекса железа(Ш) зависит от концентрации тиоцианат-ионов в растворе.
Кроваво-красное окрашивание может не появиться при определении Fе3+ с КSСN в присутствии ионов F-, С2О42-, РО43-, образующих с ионами Fе3+ прочные комплексные соединения ^б]3-, ^е(С2О4)3]3- и ^е(РО4)2]3- [6].
Рис. 3. Реакция железа с тиоцианатом калия
Реакция с сульфосалициловой кислотой. Ионы Fе3+ с сульфосалициловой кислотой образуют комплексные соединения, состав и окраска которых зависит от рН среды. В интервале рН 9-11,5 образуется желтый трисульфосалицилатоферрат(Ш)-ион.
При проведении реакции в солянокислой среде образуется комплекс красного цвета
[7].
Для проверки на ионы молибдена использовались:
Реакция с кислотами. При их действии на растворы молибдатов выделяют белый осадок молибденовой кислоты Мо03*ШО или Мо03*2ШО. Молибденовая кислота растворяется в избытке НС1(1:1) с образованием соединения М0О2О2 [8].
Рис. 4. Реакция железа с сульфосалициловой кислотой
В ходе качественного анализа в образце чугуна были обнаружены ионы Бе3+, Мо2+.
Исследование количественного состава выбранного образца осуществляли с помощью рентгенофлюоресцентного анализа и перманганатометрии.
РФА (рентгенофлуоресцентный анализ) - метод физического анализа, основанный на анализе спектра, который получают путем воздействия на материал рентгеновскими лучами.
Во время облучения атом переходит в возбужденное состояние, которое сопровождается переходом электронов на квантовые уровни наиболее высокого порядка. В таком состоянии атом находится достаточно мало времени, а после этого возвращается в свое основное состояние. В это время электроны, которые находятся на внешних оболочках, или заполняют освободившиеся свободные места, а лишнюю энергию выпускают в виде фотонов, или передают энергию другим электронам, находящимся на внешних оболочках (они называются ожэ-электронами). В это время каждый атом выделяет фотоэлектрон, энергия которого имеет строгое значение. К примеру, железо во время облучения рентгеновским излучением испускает фотоны, равные Ка, или 6,4 кэВ. Соответственно, по количеству квантов и энергии можно судить о строении вещества.
? 1 « I « Г • * 1в 11 1} II 14 Н 1« 1Г 1« 1« 30 31 зз 3) X
>»■■>«1
Рис. 5. Результаты рентгенофлуоресцентного анализа
Из данных, которые представлены на рисунке 5 следует, что процентное содержание элементов в составе выбранного образца составляет: Fe - 99,19%, Mo -0,805%, Mn -0,00912%.
Определение железа в исследуемом образце проводили методом перманганатометрии в солянокислой среде. Для этого точно известную навеску стружек образца растворяли в соляной кислоте. Пробу, предварительно восстановленную до Fe2+ с помощью гранул цинка, титровали в сернокислом растворе до образования бледно-розового цвета, который вызван избыточной каплей перманганата. Процентное содержание железа в чугуне составило 87,80%, но с учетом легких элементов, углерода и других примесей, пересчитанный процент составил около 95,00%.
Таким образом, поставленная цель исследования достигнута - изучен качественный и количественный состав композита на основе чугуна. Полученные нами данные могут быть положены в основу исследования коррозии чугуна в водных и кислых средах, а также использоваться для контроля качества продукции [9].
Список литературы
1. Есенин В.Н., Денисович Л.И. Стойкость металлических материалов в водных и водно-гликолевых растворах // Журнал прикладной химии. - 2008. - №11. - С. 1772.
2. Лукашов С. В. Разработка сорбционно-каталитических способов утилизации сточных вод, содержащих формальдегид и хром (VI): дис. ... канд. хим. наук. - Брянск, 2005. - 151 с.
3. Шарая О.А., Водолазская Н.В. Способы повышения износостойкости изделий из чугуна путем упрочняющей обработки их поверхности // Инновации в АПК. - 2020. - № 4(28). - С. 106-116.
4. Белов С.П. Качественный анализ катионов. Учебное пособие для самостоятельной работы студентов 2 курса. - Брянск: Курсив, 2013. - 94 с.
5. Словарь-справочник по физико-химическому анализу / Сост. И.К. Гаркушин, М.А. Истомова. - Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2012. - 237 с.
6. Химикатус. - URL: http://wwwMmikatus.ru/art/demo-exp/0034.php. (Дата обращения: 12.03.2021).
7. Воронкова Н.А., Новгородцева Л.В., Мирошниченко А.А. Качественные реакции в химии: практикум. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2019.
8. Лобачев А.Л., Лобачева И.В., Ревинская Е.В. Качественный анализ. Химические методы: учеб. пособие. - Самара: СГУ, 2001. - 44 с.
9. Лукашов С.В. Крайкин В.В. Проблемы создания системы мониторинга качества образования в вузе // Качество и жизнь. - 2016. - № 2(10). - С. 68-73.
Сведения об авторах
Савина Полина Константиновна - студент кафедры химии, ФГБОУ ВО «Брянский государственный университет имени академика И.Г. Петровского», e-mail: [email protected].
INVESTIGATION OF THE QUALITATIVE AND QUANTITATIVE COMPOSITION OF
CAST IRON-BASED COMPOSITE
P.K. Savina
Bryansk state university named after academician I. G. Petrovsky
The purpose of this work was to study the qualitative and quantitative composition of a composite alloy based on cast iron. For this purpose, an analysis of the literature data was carried out, which concerns the study of the behavior of metals and their alloys based on their chemical composition in aqueous and acidic
environments. The choice of cast iron material as an object of research is justified. The equipment used at various enterprises is mainly made of metal alloys, including cast iron, so it is important to know what exactly is included in the composition of the selected material and the quantitative content of certain elements in it for further study of its resistance in aggressive environments when working on technological equipment. The qualitative and quantitative composition of the sample selected for the study was investigated. The choice of methods for investigating the corrosion of cast iron in acidic solutions has been carried out.
Keywords: alloy, cast iron, aggressive environment, corrosion, resistance.
References
1. Yesenin V.N., Denisovich L.I. Resistance of metallic materials in aqueous and water-glycol solutions // Journal of Applied Chemistry. - 2008. - No.11. - p. 1772.
2. Lukashov S.V. Development of sorbent-catalytic methods of utilizationstockn wawrabh water, soderzhashtih formaldegide and chromium (Apostille): dissertation ... PhD in Chemical Science. - Bryansk, 2005. - 151 pp.
3. Sharaya O.A., Vodolazskaya N.V. Ways to increase the wear resistance of cast iron products by strengthening their surface treatment // Innovations in agriculture. - 2020. - No. 4(28). -pp. 106-116.
4. Belov S.P. Qualitative analysis of cations. A textbook for independent work of 2nd year students. - Bryansk: Italics, 2013. - 94 p.
5. Dictionary-reference book on physico-chemical analysis / Comp. I.K. Garkushin, M.A. Istomova. - Samara: Samara State Technical University. un-t, 2012. - 237 p.
6. Chemical. - URL: http://www.himikatus.ru/art/demo-exp/0034.php. (Accessed 12.03.2021).
7. Voronkova N.A., Novgorodtseva L.V., Miroshnichenko A.A. Qualitative reactions in chemistry: practicum. - Omsk: Publishing House of OmSTU, 2019.
8. Lobachev A.L. Lobacheva I.V., Revinskaya E.V. Qualitative analysis. Chemical methods: studies. manual. - Samara: SSU, 2001. - 44 p.
9. Lukashov S.V. Krykin V.V. Problem undeclared system urgencies monitoring quality education in universities // Quality and life. - 2016. - № 2(10). - P. 68-73
About author
Savina P.K. - student of the Department of Chemistry, Bryansk State University named after Academician I.G. Petrovsky, e-mail: [email protected]
