XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Получение пигмента из фосфогипса для использования в лакокрасочных покрытиях

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Чесноков Т.А. 1

---

1МАОУ СОШ №25

Потапкина Г.Д. 1

---

1МАЛУ СОШ №25

Работа в формате PDF

2.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

1. Введение

Актуальность:

Ежегодное производство пигментов-наполнителей во всём мире и в Российской Федерации достигает миллионов тонн. Они относятся к важнейшим материалам, использующимся в строительной, лакокрасочной, полимерной и полиграфической отраслях промышленности. Для их получения используются синтетические вещества и природные материалы. Однако, увеличивающийся дефицит природных ресурсов и образование огромного количества техногенных отходов приводит к необходимости поиска новых путей создания пигментов-наполнителей с использованием техногенного сырья [1,2].

При производстве фосфорных удобрений образуется сульфат кальция, загрязнённый остатками фосфорной кислоты, который называется “фосфогипсом” (ФГ). Фосфогипс занимает одну из лидирующих позиций среди побочных продуктов в мире (Приложение. График №1). Хотя он и дешёвый материал, но является ценнейшим сырьём для получения ряда важных неорганических веществ, в том числе пигмента [5].

Выбор в качестве сырья обусловлен двумя факторами: простой технологией и возможностью переработки отходов

Гипотеза: если извлекаемый из фосфогипса пигмент использовать для производства лакокрасочных покрытий, то их себестоимость будет ниже, а количество фосфогипса уменьшится, что благоприятно скажется на окружающей среде.

Цель проекта: получение пигмента-наполнителя из фосфогипса для применения его в производстве лакокрасочных покрытий.

Задачи проекта:

1. Изучить литературу по теме;

2. Провести лабораторные испытания по получению пигмента из фосфогипса путём нейтрализации известковым молоком;

3. Сделать вывод об эффективности получения пигмента из фосфогипса;

4. Получить лакокрасочное покрытие на основе пигмента из фосфогипса, оценить её качество.

Объект исследования: получение пигмента из фосфогипса.

Предмет исследования: пигмент, получаемый из фосфогипса.

Ожидаемые результаты проектной деятельности: изготовление пигмента, полученного из фосфогипса, для производства лакокрасочных покрытий.

Методы исследования: наблюдение, математические расчеты, эксперимент, анализ.

Прикладная ценность: пигмент, полученный из фосфогипса, может быть использован для производства лакокрасочных покрытий.

2. Получение пигмента из фосфогипса для использования в

краске

2.1 Фосфогипс, состав и получение

Фосфогипс - это гидрат сульфата кальция (CaSO₄*nH₂O), образующийся как побочный продукт при производстве удобрений из фосфоритной породы. Он представляет собой тонкодисперсный порошок с примесями растворимых (H₂SO₄, H₃PO₄, КН₂РO₄, CaHPO₄) и нерастворимых (SiO₂, PO₄^3-, F^-) веществ, частично скомкованный, содержащий влагу (Приложение. Рисунок №1) [19].

Фосфогипс является побочным продуктом производства экстракционной фосфорной кислоты при сернокислотном разложении фосфатного сырья (Приложение. Рисунок 2).В основе производства экстракционной фосфорной кислоты лежат два одновременно протекающих процесса: растворение фосфатного сырья в смеси серной (H₂SО₄) и фосфорной кислот (H₃PO₄) и кристаллизация сульфата кальция (CaSO₄) [5]. В зависимости от температурно-концентрационных условий процесса, а также от состава и содержания присутствующих в фосфатном сырье, примесей, перешедших в раствор, твердая фаза сульфата кальция (CaSO₄) может быть представлена одной из трех форм:

- ангидрит– CaSO₄;

- полугидрат – CaSO₄ * 0,5H₂O;

- дигидрат – CaSO₄ * 2H₂O

Схема разложения природных фосфатов:

Ca₅(PO₄)₃F + 5H₂SO₄ → 5CaSO₄ + 3H₃PO₄ + HF

Общие площади занимаемые отвалами фосфогипса составляют 1500 гектар. Из 20 млн. т. получаемого ежегодно фосфогипса, применение находит только 0,3 млн. т. или 1,5 % (Приложение. Рисунок № 3). При аварийных ситуациях на шламохранилищах, а также из-за обильных осадков может происходить загрязнение водотоков при попадании в них фосфогипсовой пульпы. В результате этого в донных осадках могут накапливаться тяжелые металлы, что приводит к изменению кислотности, содержанию фторид-(F^-) и фосфат-(PO₄^3-) ионов, подвижных форм стронция (Sr) и кальция(Ca) [4].

2.2 Требования к пигментам, используемым в лакокрасочных покрытиях

Пигмент - это окрашенное дисперсное вещество, нерастворимое в дисперсионных средах.

Синтетический пигмент - это пигмент, полученный в результате химических реакций [14].

К наполнителям, используемым в лакокрасочной технологии, предъявляются следующие требования: высокая дисперсность, низкая маслоемкость, атмосферостойкость, небольшая плотность, низкая твёрдость, дешевизна и доступность сырья, минимальное содержание водорастворимых примесей (электролитов) [3].

Диоксид титана (TiO₂) получают путём переработки природного рутила, ильменита и титаномагнетитов. В чистом виде титаносодержащие минералы встречаются редко.

Цинковые белила вырабатывают из чистого рафинированного цинка. Существуют прямые пирометаллургические способы производства оксида цинка из обожжённых рудных концентратов или вторичного сырья. Косвенные способы — из чистого цинка. Гидрометаллургические способы — из растворов солей цинка.

Липон — это эквимолекулярная смесь сульфида цинка (ZnS) и сульфата бария (BaSO₄), полученная соосаждением из растворённых в воде солей.

Свинцовые белила (основной карбонат свинца - 2PbCO₃•Pb(OH)₂) получают путём кипячения водного раствора PbCO₃ при продувании CO₂ и воздуха. Производство ограничено в СССР с 1930 года специальным законом [20].

2.3 Получение пигмента из фосфогипса путём нейтрализации известковым молоком

Перевод водорастворимых соединений ФГ проводят нейтрализацией известковым молоком. Основой процесса нейтрализации фосфогипса известковым молоком являются химические реакции

2H₃PO₄+3Ca(OH)₂→Ca₃(PO₄)₂+6H₂O

Н₂SiF₆+3Ca(OH)₂→3CaF₂+ SiO₂+4H₂O,

протекающие с образованием осадка, состоящего из фосфата(Ca₃(PO₄)₂и фторида кальция(CaF₂). Полученный пигмент имеет белый цвет.

Из большого числа неорганических веществ белого цвета в качестве пигментов нашли практическое применение лишь немногие технические продукты. Все они соответствуют определённому комплексу физических, химических, технических, экономических и санитарно-технических требований. К ним относятся: диоксид титана (TiO₂ анатазной и рутильной формы) (Приложение, рисунок 4), цинковые белила (ZnO) (Приложение, рисунок 5), липон (смесь ZnS и BaSO₄) и свинцовые белила (Pb(OH)₂*2PbCO₃) (Приложение, рисунок 6).

2.4 Как получить ЛКП на основе пигмента, полученного из фосфогипса? Какие показатели качества определять?

Краски - этолакокрасочные материалы, представляющие собой однородные суспензии пигментов и наполнителей в плёнкообразующих веществах [15].

Эмульсии - дисперсные системы с жидкой дисперсионной средой и жидкой (реже газовой) дисперсной фазой [16].

Эмали, тонкие стеклообразные покрытия (финифть, стеклоэмаль), наносимые на изделия из металлов и их сплавов и закрепляемые обжигом [17].

Лаки, лакокрасочные материалы, представляющие собой растворы плёнкообразующих веществ в органических растворителях. В состав лаков могут входить также пластификаторы, растворимые красители, различные функциональные добавки, например, отвердители, сиккативы, матирующие агенты, антисептики, поверхностноактивные и другие веще­ства [18].

Для приготовления лакокрасочных покрытий самостоятельно необходимо: налить в посуду дозированное количество бесцветного лака ХВ-784. Добавить пигмент и растереть его мастихином до получения густой однородной пасты. Растереть полученную массу пестиком до полностью однородной гладкой блестящей пасты.

Для определения качества лакокрасочных покрытий необходимо учитывать следующие показатели:

• Насыщенность — степень визуального отличия хроматического цвета от равного по светлоте ахроматического (серого) цвета [10];

• степень перетира — показатель, характеризующий размер самых крупных твёрдых частиц в пигментированных лакокрасочных материалах, диспергированных пигментах и наполнителях [7];

• укрывистость — способность лакокрасочного материала делать видимым цвет или цветовые различия окрашиваемой поверхности [6];

• быстроту высыхания — промежуток времени, в течение которого достигается определённая степень высыхания при заданной толщине лакокрасочного слоя и при определённых условиях сушки [8];

• пастозность — способность лакокрасочного слоя держать форму и не оплывать [10];

• вязкость — время непрерывного истечения, измеряемое в секундах, определённого количества лакокрасочного материала из вискозиметра с калиброванным соплом [9];

• текучесть — свойство лакокрасочного материала, которое определяет розлив [10];

• концентрацию пигмента — отношение общего объёма пигментов и/или наполнителей в лакокрасочном материале к общему объёму нелетучих веществ в лакокрасочном материале, выраженное в процентах [10];

• светостойкость — способность не менять цвет под воздействием солнечного света или искусственного источника освещения [11];

• адгезию — явление взаимодействия на границе раздела между твёрдой поверхностью и другими материалами за счёт межмолекулярных сил [10].

2.5 Экспериментальная часть

Практическая часть нашего эксперимента проведена в центре аналитики и контроля качества лаборатории БФ АО «Апатит» компании ФосАгро.

Работа состояла из следующих этапов:

1. Получение пигмента:

1. Приготовление известкового молока.

2. Приготовление фосфогипсовой суспензии.

3. Нейтрализация фосфогипсовой суспензии известковым молоком.

4. Фильтрование фосфогипсовой суспензии.

5. Сушка пигмента.

6. Измельчение пигмента.

II. Использование пигмента в ЛКП и оценка их качества.

2.5.1 Получение пигмента

2.5.1.1 Приготовление известкового молока

Для проведения эксперимента мы взвесили на весах 67,5 г негашёной извести (CaO) (Приложение рис. 7). Известь переложили в стакан и налили 432,5 г воды (H₂O) (Приложение рис.8) температурой 52⁰С (Приложение расчёт 1). При растворении извести в воде пошла экзотермическая реакция с выделение теплоты.

2.5.1.2 Приготовление фосфогипсовой суспензии

На весах взвесили 500 г фосфогипса (CaSO₄*nH₂O) (Приложение рис. 9). Пересыпали фосфогипс в фарфоровый стакан и добавили 300 мл воды (Приложение, рис.10). Измерили pH суспензии. Он составил 2,17 (Приложение, рис.11).

2.5.1.3 Нейтрализация фосфогипсовой суспензии известковым молоком

Нейтрализацию проводили в 2 этапа:

1. В фосфогипсовую суспензию добавили 11 мл известкового молока (Ca(OH)₂). Полученный раствор перемешивали при помощи мешалки (Приложение, рис.12) в течение 25 минут. Измерили pH раствора, он составил 3,5. Происходит наиболее глубокое выпадение ионов раствора, после чего отделяется образовавшийся осадок гипса.

2. В раствор добавили 20 мл Ca(OH)₂. Перемешали, измерили pH (Приложение, рис.13). Он составил 7,74. На этом этапе происходит обезжиривание неорганических и органических соединений, которые присутствуют в исходном продукте.

2.5.1.4 Фильтрование фосфогипсовой суспензии

При помощи фильтровальной воронки отделили жидкую фазу для дальнейшей сушки осадка (Приложение, рис.13)

2.5.1.5 Сушка

В лабораторных условиях навеску сухого осадка поместили в бюкс (Приложение, рис.15) и сушили в сушильном шкафу при 105—110 °С в течение 2 часов до содержания в нем до массовой доли влаги 24% (Приложение, рисунок 16, расчёт 2). После этого проводили определение массовой доли влаги в пигменте. Определение содержания влаги проводили параллельно не менее чем в двух навесках [12]. Бюкс с навеской охладили в эксикаторе до комнатной температуры и взвесили. Высушивание навески повторяли по 30 мин, пока разница в массе при двух последовательных взвешиваниях составила не менее 0,001 г. Для расчета приняли последние показания взвешивания.

2.5.1.6 Измельчение пигмента.

Высушенный осадок протёрли через сито (Приложение, рис.17) с размером ячеек не более 1мм. Пигмент перед введением просеяли на гранулометрический состав с помощью ситового анализа. Крупные фракции растёрли в ступке до пудрообразного состояния.

Вывод: из фосфогипса был получен пигмент, который можно использовать для приготовления лакокрасочных покрытий.

2.5.2 Получение лакокрасочных покрытий на основе пигмента из фосфогипса. Оценка качества ЛКП.

В качестве основы для приготовления лакокрасочных материалов был использован лак ХВ-784 [13], бесцветный.

Для получения лакокрасочных материалов в матрицу (Приложение, таблица 1) вводили определённое количество пигмента, полученного из фосфогипса (Приложение, рисунки 18-22). Затем наносили полученную смесь на заготовку ДСП. После полного высыхания визуально оценивали качество лакокрасочного покрытия.

Внешний вид покрытий, полученных с использованием пигмента из фосфогипса, можно увидеть в Приложении на рисунке 23, 24.

Проводилась визуальная оценка качества наполнителя.

В зависимости от количества использованного пигмента можно получить практически прозрачные ЛКП (Приложение, рисунок 23, образец 1, образец 2). Термообработанный пигмент из фосфогипса в качестве наполнителя ЛКП повышает укрывную способность материала (Приложение, рисунок 23, образец 3, 4, 5).

Вывод:

Образцы 1 и 2 за счёт низкой концентрации пигмента обладают:

1. низкой насыщенностью, практически прозрачные;

2. низкой укрывной способностью;

3. высокой адгезией;

4. большей текучестью по сравнению с образцами 3, 4, 5;

5. меньшей вязкостью и пастозностью по сравнению с образцами 3, 4, 5;

6. высыхают в течение 15-30 минут при температуре 26 ⁰С.

В составах ЛКП, представленных на образцах 1 и 2, не целесообразно использовать пигмент из фосфогипса. Они не имеют практической значимости.

Образцы 3 и 4 за счёт более высокой концентрации пигмента обладают:

1. более высокой насыщенностью по сравнению с образцами 1, 2;

2. высокой укрывной способностью;

3. высокой адгезией;

4. низкой текучестью;

5. высокой вязкостью и пастозностью;

6. для полного высыхания ЛКП необходимо 1-2 часа при температуре

26 ⁰С.

Образец 5 счёт высокой концентрации пигмента обладает:

1. высокой насыщенностью;

2. высокой укрывной способностью;

3. высокой адгезией;

4. низкой текучестью;

5. высокой вязкостью и пастозностью;

6. для полного высыхания ЛКП необходимо от 3 часов при температуре 26 ⁰С.

В составах ЛКП, представленных на образцах 3, 4, 5, целесообразно использовать термообработанный пигмент из фосфогипса в качестве наполнителя. Они имеют высокие показатели качества.

3. Заключение

На основе пигмента, полученного из фосфогипса, можно изготавливать лакокрасочные покрытия. Если использовать пигмент в качестве наполнителя, то наибольшей практической ценностью будут обладать ЛКП с большим содержанием пигмента, поскольку имеют более высокие показатели качества. Если для производства пигмента использовать фосфогипс, то количество этого производственного побочного продукта сократится, что положительно скажется на экологии.

IV. Список литературы

1. Бочаров В.Л.//Вестник Воронежского университета.-2004 №2, -с. 166-171.

2. Голубев Г.Н. Геоэкология, М.: ГЕОС, 1999. - с. 337.

3. Свергузова Е.В., Старостина И.В., Тарасова Г.И., Денисова Л.В., Шайхиев И.Г., Четвериков А.В. Оценка качества пигментов-наполнителей на основе ХОЖК с помощью регрессивного анализа.// Вестник Технологического университета. - 2016, Т 19 №6. -с. 3.

4. Торочков Е.Л., Ряшко А.И. Вторичные ресурсы, образующиеся в химической промышленности//Энциклопедия технологий. Эволюция и сравнительный анализ ресурсной эффективности промышленных технологий- М, С-Пб.: Реноме, 2019. -с. 820.

5. Шабельская Н.П., Меденников О.А., Яценко А.Н., Таранушич В.А., Гайдукова Ю.А., Астахова М.Н., Ульянова В.А. “Синтез сульфида кальция из фосфогипса”// Технические науки. - 2020, №4, -с. 5.

6. ГОСТ 8784-75. Межгосударственный стандарт. Материалы лакокрасочные. Методы определения укрывистости. –М.: ИПК Издательство стандартов, 2002. –с. 9.

7. ГОСТ 31973-2013. Межгосударственный стандарт. Материалы лакокрасочные. Метод определения степени перетира. –М.: Стандартинформ, 2014. –с. 8.

8. ГОСТ 19007-73. Межгосударственный стандарт. Материалы лакокрасочные. Метод определения времени и степени высыхания. –М.: ИПК Издательство стандартов, 2003. –с. 5.

9. ГОСТ 8420-2022. Межгосударственный стандарт. Материалы лакокрасочные. Методы определения условной вязкости. -М.: Российский институт стандартизации, 2022. –с.7.

10. ГОСТ 28246-2017. Межгосударственный стандарт. Материалы лакокрасочные. Термины и определения. –М.: Стандартинформ, 2014. –с. 33.

11. ГОСТ 21903-76. Межгосударственный стандарт. Материалы лакокрасочные. Методы определения условной светостойкости. –М.: Издательство стандартов, 1988. –с. 6.

12. ГОСТ 19219-73. Мел природный обогащённый. Метод определения содержания влаги. –М.: Издательство стандартов, 1988. –с. 2.

13. ГОСТ 7312-75. Межгосударственный стандарт.. Эмали ХВ-785 и лак ХВ-784. –М.: ИПК Издательство стандартов, 1976. –с. 7.

14. ГОСТ Р 56585-2015. Национальный стандарт Российской Федерации. Пигменты для бетонов и строительных растворов. - М.: Стандартинформ, 2016ю -с. 8.

15. Краски. Большая российская энциклопедия (bigenc.ru)

16. Эмульсии. Большая российская энциклопедия (bigenc.ru)

17. Эмали. Большая российская энциклопедия (bigenc.ru)

18. Лаки (материалы). Большая российская энциклопедия (bigenc.ru)

19. Краткий обзор данных по использованию фосфогипса в строительстве (cyberleninka.ru)

20. studfile.net

V. Приложения

Расчет №1 – Масса CaO, необходимого для приготовления 500 мл 10%-ного раствора известкового молока

Таблица 1 — Составы лакокрасочных материалов на основе лака ХВ-784

График 1 - Мировое производство фосфогипса и степень его использования