CC BY
36
ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ
УДК 661.183
Акаев Олег Павлович
доктор технических наук, профессор Костромской государственный университет им. Н.А. Некрасова
Гунин Валерий Владимирович
кандидат технических наук Костромской государственный университет им. Н.А. Некрасова
Цветкова Анна Дмитриевна
ИЗУЧЕНИЕ ЧИСТЯЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ПАСТООБРАЗНЫХ КОМПОЗИЦИЙ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЙСОДЕРЖАЩЕГО ОТХОДА ПРОИЗВОДСТВА ФТОРИДА АЛЮМИНИЯ
В статье рассматривается возможность использования кремнийсодержащего отхода производства фторида алюминия (кремнегеля) как компонента чистящих композиций. Установлено, что введение кремнегеля в базовую композицию способствует увеличению ее чистящей способности.
Ключевые слова: чистящая способность, диоксид кремния.
Производство фторида алюминия на основе гексафторкремниевой кислоты, осуществляется по реакции:
2А1(ОН)3 + Н^6 = 2А№3 + SiO2 • 2Н20 + 2Н20 Кремнегель содержит в своем составе ~80% SiO2 (в пересчете на сухое вещество) [2] и сопутствующие компоненты А№3, А1(ОН)3, H2SiF6 в количествах, в сумме не превышающих 6,0%.
Общее количество диоксида кремния, образующегося при производстве фторида алюминия в стране, оценивают и 40 тыс. т/год. Практически все получаемые кремнийсодержащие отходы сбрасываются в отвалы на открытом воздухе. Подобное нерациональное складирование отходов занимает полезные земельные территории и наносит вред окружающей среде. В связи с этим поиск направлений утилизации кремнегеля является весьма актуальным.
В настоящее время запатентован ряд чистящих композиций, содержащих в своем составе диоксид кремния различного происхождения [3; 4; 5; 7; 8].
Цель данной работы заключается в исследовании свойств чистящих композиций с использованием кремнегеля.
Модифицирование сорбента проводили путем обработки его поверхности одноосновной предельной карбоновой кислотой (пальмитиновой СН3-(СН2)14-СООН) и четырехатомными оксикислотами (двухосновной винной НООС-СНОН-СНОН-СООН и трехосновной лимонной НООС-СН2-С(ОН)(СООН)-СН2-СООН). Содержание модификатора составляло до 15% от общей массы адсорбента. Модифицирование проводили в фар-форой ступке, тщательно растирая композицию при помощи пестика в течение ~ 20 минут.
Методика искусственного загрязнения пластин. На предварительно очищенные модельные металлические пластины равномерно по всей повер-
хности наносили одинаковым слоем и массой (~ 1 г) загрязнитель следующего состава, вес %: олеиновая кислота - 40, сульфат меди - 33, машинное масло - 14, парафин - 13. Пластины имеют одинаковый размер [1].
Методика приготовления чистящей пасты.
1 вариант. К 50 г кремнегеля добавляли 50 мл 1% раствора ДТС - ГК (дветретиосновной соли гипохлорита кальция Са(ОСГ)2^2Са(ОН)2), тщательно перемешивали.
2 вариант. К 85 г кремнегеля, модифицированного выбранными кислотами, добавляли 13 мл 1% раствора ДТС - ГК, тщательно перемешивали.
Используемые составы:
1 композиция: 1%-ный раствор ДТС - ГК.
2 композиция: 1%-ный раствор ДТС - ГК, крем-негель.
3 композиция: 1%-ный раствор ДТС - ГК, кремнегель, модифицированный кислотами (пальмитиновая, винная, лимонная).
Методика проведения эксперимента.
1 вариант. Загрязненные пластины помещали в стаканы с 1% раствором ДТС - ГК. Выдерживали различные интервалы времени (от 5 до 30 мин). Затем пластины извлекали, промывали под струей дистиллированной воды, высушивали при комнатной температуре, взвешивали и определяли чистящую способность пасты (в %).
Чистящую способность рассчитывают по формуле:
m
100% (1)
ти ^ ’
где: - чистящая способность, %; m - масса от-
мытого загрязнителя, г; m - масса исходного загрязнителя, г.
2 вариант. На загрязненные пластины наносили испытуемые чистящие пасты. Выдерживали раз-
Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова ♦ №» 5, 2012
© Акаев О.П.,Гунин В.В., Цветкова А.Д., 2012
о
X
ю
о
о
о
с
&
время, мин
Рис. 1. Изменение чистящей способности пасты от ее состава.
1 - кремнегель, модифицированный лимонной кислотой, и 1% ДТС - ГК; 2 - кремнегель, модифицированный винной кислотой, и 1% ДТС - ГК; 3 - кремнегель, модифицированный пальмитиновой кислотой, и 1% ДТС - ГК; 4 - исходный кремнегель и 1% ДТС - ГК; 5 - 1% раствор ДТС - ГК.
личные интервалы времени (от 5 до 30 мин). Затем пластины извлекали, промывали под струей дистиллированной воды, высушивали при комнатной температуре, взвешивали и определяли чистящую способность пасты (в %).
В качестве базовой моющей композиции использован раствор ДТС-ГК - дветретиосновной соли гипохлорита кальция Са(ОСГ)2^2Са(ОН)2. Концентрированный раствор и паста ДТС-ГК вызывают коррозию металлов, обесцвечивают ткани, а также раздражают кожу человека, способствуя развитию различных дерматитов. Раствор ДТС-ГК
небольшой концентрации обладает низкой моющей способностью.
Анализ экспериментальных данных показал, что введение в 1%-ный раствор ДТС-ГК кремнегеля, модифицированного органическими кислотами, значительно повышает чистящую способность чистящей композиции. Результаты экспериментов представлены на рисунке 1.
Установлено, что введение исходного кремне-геля в состав базовой композиции увеличивает ее чистящую способность в З,З раза. Модифицирование диоксида кремния оксикислотами способству-
Рис. 2. Зависимость 1п [-1п (1-б)] = f (1п Ґ) для пасты следующего состава:
1 - кремнегель, модифицированный лимонной кислотой, и 1% ДТС - ГК; 2 - кремнегель, модифицированный винной кислотой, и 1% ДТС - ГК; 3 - кремнегель, модифицированный пальмитиновой кислотой, и 1% ДТС - ГК; 4 - исходный кремнегель и 1% ДТС - ГК; 5 - 1% раствор ДТС - ГК.
Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова ♦ .№ З, 2012
5
Таблица 1
Значения константы скорости взаимодействия компонентов чистящей пасты
с загрязнителем (К • 104), с-1
Добавка Базовая композиция (1%-ный раствор ДТС-ГК)
- 0,49
Кремнегель 1,74
Кремнегель, модифицированный пальмитиновой кислотой 1,79
Кремнегель, модифицированный винной кислотой 2,56
Кремнегель, модифицированный лимонной кислотой 2,77
ет значительному повышению чистящих свойств пасты. При добавлении в композицию кремнегеля, обработанного винной кислотой, чистящая способность возросла в 7,2 раза, а использование в качестве модификатора лимонной кислотой повышает чистящую способность в 8,7 раз.
Изменение чистящей способности композиций, в своем составе содержащих модифицированный кремнегель, связано со свойствами кислот-модификаторов. Диссоциируя, кислоты образуют протоны водорода Н+. На поверхности кремнегеля образуется слой протонов водорода Н+, за счет которых уменьшается отрицательный заряд поверхности, в результате увеличивается дисперсионное взаимодействие кремнегеля и загрязнителя. За счет единственной карбоксильной группы одноосновная пальмитиновая кислота присоединяется к поверхности кремнегеля, поэтому введение в чистящую композицию диоксида кремния, обработанного пальмитиновой кислотой, не приводит к увеличению чистящей способности.
О скорости протекания реакции между загрязнителем и кремнегелем судят по изменению степени очистки поверхности а исходного вещества (загрязнителя) :
т - т
а = —-----, (2)
т
где а - степень очистки поверхности, т - начальная масса загрязнителя, т - конечная масса загрязнителя.
Если известны значения степени очистки поверхности в разные промежутки времени, то опытные точки на графике в координатах 1п [-1п (1-б)] - 1п t должны располагаться на прямой линии. Угловой коэффициент (тангенс угла) этой прямой равен параметру г, а величина отрезка на оси ординат (при 1п t = 0) дает значение 1п к [6]. Результаты представлены на рисунке 2 и в таблице 1.
Проведенные исследования показали, что введение диоксида кремния в базовую композицию, представляющую разбавленный раствор ДТС-ГК, существенно повышает ее чистящую способность,
сохраняя при этом целостность обрабатываемой поверхности. Модифицирование диоксида кремния органическими оксикислотами многократно увеличивает чистящую способность исследуемой композиции, наилучший эффект достигнут при использовании в качестве модификатора лимонной кислоты, что подтверждается значениями константы скорости взаимодействия.
Библиографический список
1. А.с. СССР № 789575. Моющее средство для очистки твердой поверхности / С.П. Толкачев, Л.А. Бибичева. Опубл. в Б.И. - 1980. - № 47.
2. Мурашкевич А.Н., Жарский И.М. Кремнийсодержащие продукты комплексной переработки фосфатного сырья. - Минск: БГТУ, 2002. - 389 с.
3. Моющее средство в виде таблеток, содержащее активатор отбеливания со специфичным размером частиц // Реферативный журнал. Технология производства продуктов бытовой химии. Парфюмерия и косметика - 2003. - № 3.
4. Применение частиц производных аустонит-рила в качестве активаторов отбеливания в твердых моющих средствах // Реферативный журнал. Технология производства продуктов бытовой химии. Парфюмерия и косметика - 2003. - № 11.
5. Суспензионноэмульсионная система для введения активных ингредиентов // Реферативный журнал. Технология производства продуктов бытовой химии. Парфюмерия и косметика - 2003. - № 3.
6. Стромберг А.Г. Физическая химия. - М.: Высшая школа, 2003. - 527 с.
7. Hokkirigawa Kazuo, Akiyama Motoharu, Yoshmura NопуыШ. Полирующий моющий состав для загрязненной поверхности // Реферативный журнал. Технология производства продуктов бытовой химии. Парфюмерия и косметика - 2003. - № 12.
8. Hokkirigawa Kazuo, Akiyama Motoharu, Yoshmura ШгіуиШ. Жидкое чистящее средство // Реферативный журнал. Технология производства продуктов бытовой химии. Парфюмерия и косметика - 2003. - № 13.
6
Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова ♦ № 5, 2012
