DOI: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2014.26242

Synthesis of alkali metal titanates through hydrothermal reactions

Валерий Павлович Шапорев, Инна Вячеславовна Питак, Алексей Валерьевич Шестопалов

Abstract


Applying the hydrothermal reactions for synthesizing whiskers of alkali metal titanates is considered in the paper. Some results of our research in this field are presented. The main purpose of this research is to study the mechanisms of the hydrothermal synthesis process and to obtain kinetic models of whisker growth. The idea of the mechanisms of crystal synthesis is considered and the influence of pressure, temperature, degree of the autoclave filling and other process parameters is estimated. As a result of experimental studies, the possibility of synthesizing potassium titanate whiskers under hydrothermal conditions in obtaining high-quality fibrous crystal structure, corresponding to potassium hexatitanite, the maximum yield of which can be achieved by the degree of filling the reactor by 60% and a pressure of 50 MPa. Based on the studies of the process mechanisms the kinetic models are constructed. They can be used for analyzing the process and selecting the rational parameters of synthesizing potassium hexatitanite crystals. The results of theoretical and experimental studies allow estimating the measurements of the various process properties on the hydrothermal treatment and identifying the factors of controlling either the processes of batch mixture dissolution in the autoclave or the crystal growth processes, which can be applied in the development and design of reactors for performing hydrothermal reactions in obtaining whiskers.


Keywords


hydrothermal reaction; autoclave; whiskers; potassium hexatitanite; kinetic models

References


Ostroushko, V. I., Zaytsev, I. D., Tkach, G. A., Shaporev, V. P., Ma-kogon, A. T., Lev, M. B., Teyshev, Ye. A., Lyutsareva, L. A. (1983). Method of receipt of fibred titanium of potassium. Patent USSR, №. 3593657/23-26.

Cooksey, D. J. S., Munson, D., Wilkinson, M. P., Hellawell, A. (1964). The freezing of some continuous binary eutectic mixtures. Philosophical Magazine, 10 (107), 745–769. doi:10.1080/14786436408225381

Toschev, S., Gutzow, I. (1972). Nichtstationäre Keimbildung: Theorie und Experiment. Krist. Techn., 7 (1-3), 43–73. doi:10.1002/crat.19720070108

Reeve, K. D., Perera, D. S ., Buykx, W. S., Vance, E. R. (1990). New materials development at ANSTO. Mater. Austral, 22 (8), 16–17.

Cahn, J. W., Balluffi, R. W. (1979). Diffusion induced grain boundary migration. Scr. Met., 13, 503–509.

Balluffi, R. W., Cahn, J. W. (1981). Mechanism for diffusion induced grain boundary migration, 29, 493–500. doi:10.2172/5013063

Vitek, V., Minonishi, Y., Wang, G.-J. (1985). Multiplicity of grain boundary structures: vacancies in boundaries and transformations of the boundary structure. J. Phys. Colloques, 46 (C4), 171–183. doi:10.1051/jphyscol:1985420

Musasi, F., Kuntomi, M. (1962). Synthesis of fibred alkaline titanates through the hydrotermal reactions. Kogio Kagaku, 65 (11), 1775–1779.

Kuznetsov, V. A., Panteleyev, V. V. (1965). Hydrothermal synthesis of rutile. Crystallography, 10 (3), 663–667.

Ikornikova, N. Yu. (1962). Role of chlorides at the hydrothermal transfer at formation of ore. Geology of ore deposits, 5, 610–612.

Shaporev, V. P. (1992). Physical and chemical properties of threadlike crystals K2Ti6O13, synthesized by different methods, AS USSR, 28 (8), 1045–1052.

Shaporev, V. P. (1992). Use of basic reinforcing agents for plastics and ceramics. Ecology of chemical technology and biotechnology, 1, 27–32.

Ryzhov, B. N. (1981). Thermodynamics of equilibrium in hydrothermal solutions. Moscow, USSR, Chemistry, 356.

Malinin, S. D. (1984). Hydrothermal process by the eyes of a physicist-chemist. Nature, 10, 21–25.

Kalashnikov, L. A. (1987). Physical chemistry of matters at high pressures. Moscow, USSR, High school, 238.

Fialkov, Yu. Ya. (1990). Solvent as the mean of chemical process control. Leningrad, USSR, Chemistry, 232.

Nikolayev, L. A. (1984). Theoretical chemistry. Moscow, USSR, High school, 400.

Shtenberg, A. A. (1962). About the processes of crystallization in autoclaves. Crystallography, 7, 114.

Landau, L. D., Lifshits, Ye. M. (1979). Theoretical physics. Moscow, USSR, Science, Part. 2, 700.

Lobachev, A. N. (1968). Hydrothermal synthesis of crystals. Moscow, USSR, Science, 216.

Tonkov, Ye. Yu. (1983). Phases diagrams of connections at high pressure. Moscow, USSR, Science, 250.

Zhulin, V. M. (1984). Influence of high pressure on the reactions in a liquid phase. Moscow, USSR, Chemistry, 200.

Semenchenko, V. K. (1952). About the structure of phases in a critical region. Journal of physical chemistry, 26 (4), 1337.

Ammer, S. A., Postnikov, V. S. (1974). Threadlike crystals. Voronezh, USSR, Voronezh polytechnic institute, 284.

Brenner, S. (1968). Theory and practice of growing of crystals. Moscow, USSR: Metallurgy, 294.

Shaporev, V. P. (1995). Technology of inorganic reinforcing fillings: dis. PhD, (Engineering) 05.17.08. Kharkiv, Kharkiv polytechnic institute, Ukraine, 365.

Shaporev, V. P., Sebko, V. V. (2012). About possibilities of applica-tion of methods of nano-chemistries for the analysis and intensification of chemical technological processes. Visnyk NTU «KhPI», 61 (967), 164–176.

Shaporev, V. P., Khitrova, I. V. (1992). Cooperation in the system

Y2O3 – BaO2 – CuO in the process of firmly-phases reaction. VIII All-union conference on the physical and chemical analysis (17-19 sept. 1991): theses, Saratov, Russia, Part. 1, 58.

Ovechkin, Ye. K. (1970). Hydrothermal synthesis of fibred geksatitanates of potassium. Labours of 1st science conf. «Threadlike crystals and unferromagnetic tapes». Voronezh, Russia, Voronezh polytechnic institute, 91 – 97.


GOST Style Citations


1. А. с. 1101412 СССР, МКИ5 C01G23/00. Способ получения волокнистого титаната калия [Текст] / Остроушко В. И., Зайцев И. Д., Ткач Г. А., Шапорев В. П., Макогон А. Т., Лев М. Б., Тейшев Е. А., Люцарева Л. А. // (СССР). – № 3593657/23-26; заявл. 20.05.1983; опубл. 07.07.1984, Бюл. № 25.

2. Cooksey, D. S. The freering of some continuous binary eafectic mixtures [Text] / D. S. Cooksey, D. Munson, M. P. Wilkinson, A. Hellawell // Philosophical Magazine. – 1964. – Vol. 10, Issue 107. – P. 745–769. doi:10.1080/14786436408225381

3. Toschew, S. Nichtstationare Keimbildung: Theorie and Experiment [Text] / S. Toschew, S. Gutzow // Krystal and technology. – 1972. – Vol. 7, Issue 1-3. – P. 43–73. doi:10.1002/crat.19720070108

4. Reeve, K. D. New mate-rials development at ANSTO [Text] / K. D. Reeve, D. S. Perera, W. S. Buykx, E. R. Vance // Mater. Austral. – 1990. – Vol. 22, Issue 8. – P. 16–17.

5. Cahn, J. W. Diffusion induced grain boundary migration [Text] / J. W. Cahn, J. D. Pan, R. W. Balluffi // Scr. Met. – 1979. – Vol. 13. – P. 503–509.

6. Balluffi, R. W. Mechanism for diffusion induced grain boundary in migration [Text] / R. W. Balluffi, J. W. Chan // Acta met. – 1981. – Vol. 29. – P. 493–500. doi:10.2172/5013063

7. Viter, V. Multiplicity of grain boundary structures: vacancies in boundaries and transformations of the boundary structure [Text] / V. Viter, J. Minonishy, A. J. Wang // J. Phys. – 1985. – Vol. 46, Issue C4. – P. 171–183. doi:10.1051/jphyscol:1985420

8. Мусаси, Ф. Синтез волокнистых щелочных титанатов при помощи гидротермальных реакций [Текст] / Ф. Мусаси, М. Кунтоми // Журнал «Когио Кагаку», 1962. – Т. 65, № 11. – С. 1775–1779.

9. Кузнецов, В. А. Гидротермальный синтез рутила [Текст] / В. А. Кузнецов, В. В. Пантелеев // Кристаллография. 1965. – Т. 10 (3). –С. 663–667.

10. Икорникова, Н. Ю. Роль хлоридов при гидротермальном переносе при рудообразовании [Текст] / Н. Ю. Икорникова // Геология рудных месторождений. – 1962. – №5. – С. 610–612.

11. Шапорев, В. П. Физико-химические свойства нитевидных кристаллов K2Ti6O13, синтезированных разными методами [Текст] / В. П. Шапорев // Изд. АН СССР. – 1992. – Т. 28, № 8. – С. 1045–1052.

12. Шапорев, В. П. Использование основных армирующих агентов для пластмасс и керамики [Текст] / В. П. Шапорев // Экология химической технологии и биотехнология. – 1992. – Т. 1. –С. 27–32.

13. Рыжов, Б. Н. Термодинамика равновесий в гидротермальных рас-творах [Текст] / Б. Н. Рыжов. – М.: Химия, 1981. – 356 с.

14. Малинин, С. Д. Гидротермальный процесс глазами физико-химика [Текст] / С. Д. Малинин // Природа. – 1984. – №10. – С. 21–25.

15. Калашников, Л. А. Физическая химия веществ при высоких давлениях [Текст] / Л. А. Калашников. – М.: Высшая школа, 1987. – 238 с.

16. Фиалков, Ю. Я. Растворитель как средство управления химическим процессом [Текст] / Ю. Я. Фиалков. – Л.: Химия, 1990. – 232 с.

17. Николаев, Л. А. Теоретическая химия [Текст] / Л. А. Николаев. – М.: Высшая школа, 1984. – 400 с.

18. Штенберг, А. А. О процессах кристаллизации в автоклавах [Текст] / А. А. Штенберг // Кристаллография. – 1962. – № 7. – С. 114.

19. Ландау, Л. Д. Теоретическая физика. Т. ІХ: Статистическая физика. Ч. 2 [Текст] / Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц. – М.: Наука, 1979. – 700 с.

20. Лобачев, А. Н. Гидротермальный синтез кристаллов [Текст] / А. Н. Лобачев. – М.: Наука, 1968. – 216 с.

21. Тонков, Е. Ю. Фазовые диаграммы соединений при высоком давлении [Текст] / Е. Ю. Тонков. – М.: Наука, 1983. – 250 с.

22. Жулин, В. М. Влияние высокого давления на реакции в жидкой фазе [Текст] / В. М. Жулин // Физическая химия. Современные проблемы (ежегодник). – М.: Химия, 1984. – 200 с.

23. Семенченко, В. К. О строении фаз в критической области [Текст] / В. К. Семенченко // Журнал физической химии. – 1952. – Т. 26, № 4. – С. 1337.

24. Аммер, С. А. Нитевидные кристаллы [Текст] / С. А. Аммер, В. С. Постников. – Воронеж: Воронежский политехнический институт, 1974. – 284 с.

25. Бреннер, С. Теория и практика выращивания кристаллов [Текст] / С. Бреннер; пер. с англ.; под ред. Д. Е. Темкина, Е. И. Гивиргизова. – М.: Металлургиздат, 1968. – 294 с.

26. Шапорев, В. П. Технологія неорганічних армуючи наповнювачів [Текст]: дис. … доктора техн. наук: 05.17.08 / В. П. Шапорев. – Харків, 1995 – 365 с.

27. Шапорев, В. П. О возможностях применения методов нанохимии для анализа и интенсификации химико-технологических процессов [Текст] / В. П. Шапорев, В. В. Себко // Вестник НТУ «ХПИ». – 2012. – № 61 (967). – С. 164–176.

28. Шапорев, В. П. Взаимодействие в системе НК Y2O3 – BaO2 – CuO в процессе твердофазной реакции [Текст] : тезисы докл. / В. П. Шапорев, И. В. Хитрова // VIII Всесоюзное совещание по физико-химическому анализу. Ч. 1. – Саратов, 1992. – С. 58.

29. Овечкин, Е. К. Гидротермальный синтез волокнистого гексатитаната калия [Текст] : тр. І науч. конф. / Е. К. Овечкин // Нитивидные кристаллы и неферромагнитные пленки». – Воронеж: Воронежский политехнический институт, 1970. – С. 91–97.






Copyright (c) 2014 Валерий Павлович Шапорев, Инна Вячеславовна Питак, Алексей Валерьевич Шестопалов

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

ISSN (print) 1729-3774, ISSN (on-line) 1729-4061