Разработка методики способа переработки боя лабораторного стекла для применения в художественной деятельности.

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Жуликова А.Р. 1Манухина А.А. 1

---

1МБОУ СОШ №9

Букина И.А. 1

---

1МБОУ СОШ №9

Работа в формате PDF

497.1 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Данная работа посвящена созданию методики переработки боя лабораторного стекла для применения в художественной деятельности. Были изучены свойства лабораторного стекла и его особенности, проблемы переработки. В целях уменьшения температуры плавления отобраны три возможных варианта плавня. Экспериментально сварены 15 проб стекла. На основе физических свойств полученного стекла был выбран плавень — оксид бора, который вводится через борную кислоту, и подобран подходящий весовой и гранулометрический состав шихты для заданных условий синтеза.

Были изучены физико-химические свойства полученного стекла, важные для сферы применения изделия. Выяснилось, что готовое стекло можно использовать в изготовлении мозаики. В результате данной исследовательской работы была разработана методика переработки боя лабораторного стекла.

Введение

Человечество производит всё больше вещей из самых различных материалов. Всё, что активно используется рано или поздно приходит в негодность и выбрасывается. Одна из важнейших проблем мирового масштаба – перегруз планеты мусором. Поэтому переработка, ставших ненужными вещей из различных материалов, и их повторное использование имеют огромное значение для экологии и экономики. Это позволяет уменьшить площадь мусорных полигонов, а также сократить потребление невозобновляемых ресурсов, и повысить эффективность предприятий. А также защищает природу планеты от выброса вредных веществ, которые могут выделяться в почву и воду при разложении некоторых отходов. Кроме того, переработка позволяет возвращать полезные вещества в производственный цикл и использовать их повторно.

Стекло является одним из самых широко применяемых материалов на планете. Из него делают огромное количество вещей. От мелких украшений до огромных листов, позволяющих создавать современные дома «из стекла и бетона». Широко используется стекло в производстве посуды и мебели, автомобилей, самолётов, и других технических устройств. Немного отдельно стоит производство химической посуды, так как стекло для неё должно отвечать особым требованиям. Несмотря на давнее и широкое применение стекло продолжает оставаться достаточно хрупким материалом и чаще других материалов требует замены. Куда уходит разбитое стекло? На мусорный полигон? А ведь на его производство были потрачены ценные ископаемые и большое количество энергии.

Переработка стекла играет значительную роль в современном мире, позволяя значительно сократить потребление природных ресурсов, таких как песок, мел, доломит, природный газ и т.д. Однако наиболее эффективна переработка многотоннажных промышленных стекол, таких как листовое, бесцветное бутылочное, цветное бутылочное, из-за массовости производства и достаточной схожести химического состава даже у стекол, произведенных на разных заводах. Лабораторное стекло отличается от многотоннажного промышленного стекла своими физико-химическими свойствами, а также может быть загрязнено химическими реактивами, что делает его непригодным для обычной переработки и сужает сферу его дальнейшего применения. Кроме того, лабораторная посуда в основном состоит из тугоплавкого стекла, поэтому для повторной переработки требуются большие энергетические затраты.

Цель работы: разработка методики переработки боя лабораторного стекла для применения в художественной деятельности.

Запрос на исследование предоставила кафедра химической технологии стекла и ситаллов Российского химико-технологического университета имени Д.И. Менделеева, у которой образуется много боя химической стеклянной посуды. Исследование также будет актуально для научно-исследовательских химических и биологических институтов и химических предприятий.

Задачи исследовательской работы:

1. Изучение строения, свойств и способов переработки стекла.

2. Проведение синтеза переработанного стекла и подбор возможных дополнительных компонентов на основе физических показателей полученных проб.

3. Сравнение физико-химических свойств заготовленного стекла и переработанного стекла и нахождение способов его применения.

4. Формулирование методики переработки боя лабораторного стекла.

Литературный обзор

Прежде чем изучить способы переработки стекла необходимо познакомиться с данным веществом. Что такое стекло? Стекло-аморфное вещество. Сырьем для стекла служат сода, известняк и песок. Состав стекла можно выразить формулой Na₂O*CaO*6SiO₂. Издавна из стекла производят не только посуду, но и прекрасные художественные изделия. Так же стекла можно подразделить на промышленные и лабораторные. ¹

Промышленные и лабораторные стекла

Все известные неорганические стекла по химическому составу можно подразделить на несколько типов: элементарные, оксидные, галогенидные, халькогенидные, стекла на основе кислородных солей, металлические и смешанные.

Оксидные - стекла, главными компонентами которых являются соединения с кислородом. Типичными стекло образователями являются SiО₂, В₂О₃, GeО₂, Р₂О₅.

Силикатные стекла. Решающее преимущество силикатных стекол - невысокая стоимость, доступность сырья, достаточно высокой химической устойчивостью. Среди многообразия силикатных стекол наиболее распространены натрий-кальций-силикатные стекла с добавками MgO и Al₂O₃.

Боратные стекла. Стеклообразный В₂О₃ получают путем плавления борной кислоты Н₃ВО₃ при температуре 1200–1300°С.

Плюсы оксидного стекла:

1. Высокая прочность.

2. Способность к термическому испарению в вакууме.

К изделиям из химико-лабораторного стекла относят химическую посуду, приборы, аппараты, применяемые в лабораторной практике. Многокомпонентные силикатные стекла отличаются пониженным содержанием оксидов щелочных металлов и присутствием таких оксидов, как B₂O₃, Al₂O₃, ZrO₂, которые повышают химическую устойчивость стекла.²

Преимущественным стеклобоем, образующимся на кафедре, является бой химико-лабораторного и термического стекла различных цветов. Данная работа посвящена переработки этих видов стёкол.

Как же влияет оксид бора на свойства стекла? Оксид бора В₂O₃ снижает температуру плавления, вязкость, поверхностное натяжение и склонность расплава стекла к кристаллизации и ТКЛР, увеличивает термо и химическую стойкость, улучшает химические свойства.⁴

После ознакомления со стеклом и его свойствами перейдем к теме, что же такое переработка стеклобоя и этапы самой переработки.

Переработка стеклобоя

Переработка стекла — это его измельчение и переплавка в специальных печах. Предварительно отходы собирают и сортируют по цвету, а потом уже приступают к дроблению и плавке. Переработке подлежит стекло без посторонних примесей и покрытий. Вторичное изготовление стеклотары гораздо дешевле первичного, а сам процесс производства намного проще. Производство нового стекла приводит к высокой потребности в энергии, в то время как вторичная переработка стекла может сократить этот процесс на 30-50%.⁵

Этапы переработки стекла:

1. Приготовление шихты

2. Осветление

3. Гомогенизация

4. Студка

Приготовление шихты

Шихтой называют однородную смесь хорошо перемешанных между собой сырьевых материалов. Под воздействием высоких температур в стекловаренных печах, в результате ряда сложных физико-химических процессов из неё образуется однородный расплав − стекломасса. Стоит учитывать, что в основном наша задача состоит в переработке имеющегося боя химико-лабораторного стекла, поэтому все стадии стекловарения у него были пройдены ещё во время производства. В нашем случае будет проводится добавка легкоплавких компонентов, которые позволили бы снизить температуры варки стекла. Поэтому в варке нас интересует в первую очередь три последние стадии: осветление, гомогенизация и студка.⁶

Осветление

Осветление - эта стадия характеризуется тем, что к ее концу стекломасса освобождается от видимых газовых включений, и тем, что устанавливается равновесие между стекломассой (жидкой фазой) и газами, растворенными в стекломассе (газовой фазой).

Осветление происходит следующим образом. Большие пузыри поднимаются к поверхности, лопаются и переходят в атмосферу печи; маленькие пузырьки растворяются в расплаве.⁷

Гомогенизация

Протекает одновременно с осветлением. Гомогенизация - процесс выравнивания хим. состава стекломассы. Представляет собой длительную выдержку стекломассы при высоких температурах (около 1500° С). При этом в результате диффузии расплава стекломасса становится химически однородной.⁸

Студка

Протекает одновременно с осветлением. Температуру стекломассы снижают на 200-300С, при это повышая ее вязкость до величины необходимой для выработки. ⁹

Так же стоит знать, что в стекломассу можно добавлять красители, для придания более эстетичного вида полученного продукта.

Покраска стекла

Покраска стекла – это процесс, который не только придает изделиям из стекла эстетичный вид, но и наделяет их функциональными свойствами. В зависимости от типа краски и метода нанесения, окрашенное стекло может использоваться в различных сферах.

Краски стекла представляют собой соединения различных металлов. На окрашивание стекла влияет тип красителя, его концентрация, режим марки и т.д. На интенсивность окрашивание стекла влияет так же его состав. ¹⁰

Виды красителей:

1. Соединение марганца (фиолетовый или черный цвет, зависит от концентрации)

2. Соединение кобальта (синий цвет или сине-зеленый)

3. Соединение хрома (зеленый, желто-зеленый цвет)¹¹

Автором технологии цветного стекла в России стал Михаил Ломоносов. В 1748 году была открыта научная лаборатория, где ученый проводил многочисленные опыты, чтобы расширить палитру цветов для окраски стекол.¹²

В рамках проекта была поставлена задача подбора плавня для использованного боя химико-лабораторных стёкол. Плавень необходим для снижения температуры плавления стекла и улучшения его свойств. Подбор плавня позволит использовать бой химико-лабораторных стёкол для создания новых изделий или восстановления старых.

Выводы из обзора литературы

После изучения литературы выявлены основные проблемы переработки боя лабораторного стекла. Высокая температура плавления и возможное загрязнения химическими реактивами. Для решения проблемы проведены исследования по определению оптимальных составов стёкол с учётом их химического состава и температуры варки и выбраны три плавня: оксид свинца, борная кислота, щелочная соль. В целях выбора оптимального варианта необходимо на практике расплавить стеклобой с добавлением различных видов плавня в различных концентрациях. В результате были предложены составы стёкол, которые могут быть использованы для переварки боя химико-лабораторных стёкол.

Практическая часть

В практической части работы было решено сделать 15 проб варки стеклобоя с добавление трех разных видов плавней, по 5 каждого компонента с шагом в 10%. С каждым из образцов составленной шихты необходимо будет проделать работу по следующему плану:

План эксперимента:

1. Измельчение стекла

2. Расчёт доп. компонентов

3. Варка стекла

4. Измерение химической стойкости стекла

5.Измерение температурного коэффициента линейного расширения

Первый этап «Измельчение стекла»

Измельчение стекла в виду малых объемов производилось ручным способом. Первоначально наиболее крупные куски стекла измельчались с помощью молотка до кусков размером не более 5 мм. Это является недопустимым измельчением, так как при грубом измельчении лабораторного стекла, отливки стекла кристаллизировались и разрушались.

Дальнейшее измельчение происходило в фарфоровой ступке до кусков не более 1 мм размером, так как это может быть сравнимо с некоторыми комкующимися компонентами. Этой степени оказалось достаточно, далее не следовало измельчения. Рисунок 1

Второй этап «Расчёт доп. компонентов»

Для составления шихты необходимо узнать количество компонентов. Для этого были составлены пропорции и получено нужное количество компонентов.

С помощью пропорции выяснилось, что, чтобы получить 20 грамм шихты нам понадобится:

1. два грамма борной кислоты и 18 грамм боя

2. 4 грамма борной кислоты и 16 грамм боя

3. 6 грамм борной кислоты и 14 грамм боя

4. 8 грамм борной кислоты и 12 грамм боя

5. 10 грамм борной кислоты и 10 грамм боя

Эти же пропорции мы можем использовать и для оксида свинца и для щелочной соли.

Задача:

2H₃BO₃ →3H₂O+B₂O₃

По данному уравнению было вычислено количество оксида бора.

По этому примеру мы можем рассчитать остальные пропорции плавней.

№, % плавня	Состав B2O3	№	составPb2O3	№	Состав Na2CO3
1, 10%	2 гр.	6	2 гр.	11	2 гр.
2, 20%	4 гр.	7	4 гр.	12	4 гр.
3, 30%	6 гр.	8	6 гр.	13	6 гр.
4, 40%	8 гр.	9	8 гр.	14	8 гр.
5, 50%	10 гр.	10	10 гр.	15	10 гр.

Таблица 1. Состав плавней

Третий этап «Варка стекла»

Варка стекла осуществлялась в электрической варочной печи горизонтального типа, оснащенной карбид-кремниевыми нагревателями и платиновой термопарой (рис. 1).

Рисунок 1 – Внешний вид электрической варочной печи горизонтального типа, оснащенной карбид-кремниевыми нагревателями

Шихту помещали в корундовые тигли объёмом 10-100 мл и проводили варку стекла по следующему режиму: нагрев до 1300°С со скоростью 300°С/час и выдержка в течение часа при этой температуре.

Выработка стекломассы производилась на металлическую плиту. После выработки стекла помешались в муфельную печь для отжига при температуре 500°С в течение 3 часов с инерционным охлаждением.

Таблица 2. Визуальный результат варки стёкол

Рисунок 2

После плавления и охлаждения было установлено, что большинство стёкол не вылились и вылилось только с борной кислотой с составом 40%. Предполагается, что это связано с тем, что в составе стекла имеется оксид кремния и при добавлении борной кислоты стекло образователь образовал более легкоплавкое соединение с оксидомкремния, нежели с оксидомсвинца и щелочной солью. Дальнейшие исследование были проведены с удачной пробой.

Четвёртый этап «Измерение химической стойкости»

Измерение химической стойкости стекла производилось по методу порошка. Около 100 г стекла дробилось в фарфоровой ступке и просеивалось через сита №05 и №03. Полученный порошок стекла в количестве не менее 20 г проходил сортировку: удалялись плоские и остроугольные зерна. 2 г порошка стекла, состоящего из зерен округлой формы, промывались в плоскодонной колбе, ёмкостью 65-70 мл. Затем в колбу наливали 50мл дистиллированной воды, нагретой до 100°С, и выдерживали в ней в течение 60 мин. После этого жидкость охлаждали и титровали 0,01Н раствором соляной кислоты. Гидролитические классы определяли по таблице 2.

Таблица 3 – Гидролитическая классификация стекол

Рисунок 3

По результатам титрования видно, что лабораторное стекло относитсяко второму классу, а полученное стекло относится к четвёртому классу. Лабораторное стекло химически стойкое, но итоговое- нет. Поэтому его нельзя использовать в тех же областях, что и исходное.

5. Измерение температурного коэффициента линейного расширения

Температурный коэффициент линейного расширения стекла определяли с помощью вертикального кварцевого дилатометра ДКВ4. Перед проведением измерения образец стекла был измерен штангенциркулем с точностью до 0,01 мм. Образец помешали в кварцевую трубку. Запаянный конец которой с внутренней стороны зашлифован так, чтобы плотно соприкасаться с торцом образца. Производили нагрев печи дилатометра, записывая показания индикатора через одинаковые температурные промежутки.

Таблица 4. Температурный коэффициент линейного расширения

Таблица 5. Визуальный результат варки стёкол

Рисунок 4

Формула расчёта температурного коэффициента линейного расширения:

∆l /l (t₂) - ∆l/l(t₁)

____________

t₂ -t₁

где ∆l – относительное удлинение, l – начальная длина образца

Температурный коэффициент линейного расширения полученного образца 33*10^(-7) 1/К.

Для применения стекла в изготовлении фьюзинга и витражей коэффициент линейного расширения должен быть равен 90,96 и 100*10ˆ-7, у разных промышленных марок. Возможно, совмещать различные стёкла при разнице не более 10% коэффициента линейного расширения между разными материалами. Иначе изделие будет ломаться даже при незначительных нагреваниях. Следовательно, образцы данного материале не подходят для изготовления фьюзинга и витражей. Использование для мозаики возможно, так как нет строгого ограничения в связи с отсутствием нагревания. Полученное стекло подходит для изготовления художественных изделий в стиле мозаики.

Выводы

1.В процессе работы был проведён литературный поиск по теме исследования, что позволило сформировать представление об особенностях переработки стеклянного боя химической посуды, возможностях синтеза и изучения физико-химических свойств полученного стекла.

2.Были проведены варки различных составов шихт на основе боя лабораторного стекла. На основе физических свойств полученного стекла был выбран плавень — оксид бора, который вводится через борную кислоту и подобран подходящий весовой (50:50 масс. %) и гранулометрический (измельчение стекла до размера не более 1 мм) состав шихты для заданных условий синтеза.

3.Были изучены физико-химические свойства полученного стекла, важные для сферы применения изделия: химическая стойкость (IV гидролитический класс) и термический коэффициент линейного расширения (33*10^(-7) 1/К).С помощью измерения линейного расширения, выяснилось, что готовое стекло можно использовать только для изготовления мозаики.

4.На основе проведённой работы была разработана методика переработки боя лабораторного стекла.

Методика вторичной переработки боя лабораторного стекла.

1. измельчение стекла до размера не более 1 мм,

2. составление шихты из стеклобоя и оксида бора в соотношении 50:50 масс. %,

3. синтез при температуре 1300 °C в течение 1 часа

4. охлаждение

5. изготовление художественного изделия с применением эпоксидной смолы

Заключение

В результате исследовательской работы была разработана методика переработки боя лабораторного стекла и определена область применения изделий в художественной деятельности.

Использование данной методики позволит уменьшить количество мусора от стеклянной посуды в природе.

Источники литературы

1. Химия 9, О.С.Габриелян, Москва, «Просвещение», 2020

2. «Химическая технология стекла и ситаллов», под редакцией д-ра тех. наук проф. Н. М. Павлушкина

3. «Химическая технология стекла и ситаллов», под редакцией Л.Ф.Папко, М.В.Дяденко

4. https://www.baurum.ru/_library/?cat=glass&id=3645

5. Уваров А.В. Экологический дизайн. История, теория и методология экологического проектирования. М.: Совпадение, 2015.

6. https://scienceforum.ru/2021/article/2018024012

7. https://www.stroitelstvo-new.ru/steklo/osvetlenie.shtml

8. https://studfile.net/preview/5405096/page:3/

9. https://elar.urfu.ru/bitstream/10995/28832/1/978-5-7996-0930-6_2013.pdf?ysclid=m4lj2vhl6e706160265

10. Гулоян Ю. А. Технология стекла и стеклоизделий / Ю. А. Гулоян. Владимир: Транзит – Икс, 2003. 480 с.

11. https://condor.by/main/navny/pokraska-stekla-vidy-krasok-i-tekhnologiya-okrashivaniya/

12. «Химическая технология стекла и ситаллов», под редакцией д-ра тех. наук проф. Н. М. Павлушкина

13. 12.https://www.kp.ru/samobranka/narodnye-promysly/promysly-po-steklu/?ysclid=m4ljnpvkrw907570052

14. Приложения.

Рисунок 1. Измельчение стекла.

Рисунок 2. Варка стекла

Рисунок 3. Измерение химической стойкости стекла

Рисунок 4. Измерение температурного коэффициента линейного расширения