Моделювання реологічної аномалії в системі Na2O – SiO2 – NH3 – ZnO – H2O

Автор(и)

  • Nikolai Maliavski Національний дослідницький Московський державний будівельний університет Ярославське шосе, 26, м. Москва, Росія, 129337, Російська Федерація https://orcid.org/0000-0001-6229-1155
  • Olga Zhuravlova Корпорація «ППГ» вул. Володимира Мономаха, 25-А2, м. Дніпро, Україна, 49000, Україна https://orcid.org/0000-0003-2360-2744

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.176821

Ключові слова:

розчинні силікати, модифіковані рідкі скла, комплекси цинку, аномальна реологія, поліконденсація

Анотація

Пропонується універсальна розрахункова модель для теоретичного опису структурних і фізико-хімічних властивостей водних розчинів модифікованих силікатів за участю комплексоутворювачів. Модель враховує три типи рівноваг: кислотно-основні, метало-комплексні і, для кремнекисневих аніонів (ККА) – також поліконденсаційні. Розроблений математичний апарат допускає застосування моделі практично до будь-яких типів рідких стекол та їх сумішей. Для окремого випадку натрій-цинк-амонійного рідкого скла модель передбачає чисельне рішення системи з сімнадцяти лінійних і нелінійних рівнянь методом Ньютона.

Нова модель була використана для пояснення спостережуваного експериментально ефекту реологічної аномалії в водних розчинах рідкого скла, модифікованого цинком і аміаком. Ефект характерний, більш за все, для розчинів аміносилікатів, де реологічена аномалія пов'язана зі зміщенням при нагріванні молекулярно-масового розподілу (ММР) ККА в напрямку процесу поліконденсації. Результати розрахунків показують, що подібне зміщення має місце також в даній системі і пояснюється трансформацією амінокомплексів цинку в гідроксокомплекси. Сумарний процес може бути виражений рівнянням [Zn(NH4)]2++5OH-®[Zn(OH)3]-+2NH4OH, що пояснюється істотною відмінністю величин ентальпії утворення цих комплексів. Це призводить до зменшення величини рН і до зміщення ММР ККА в сторону підвищення ступеня полімеризації (зменшення середньої основності ККА). Присутність інших комплексних частинок, таких як [Zn(NH3)]2+, [Zn(OH)4]2-, [Zn(OH)2] і т. д., не відіграє суттєвої ролі.

Використання запропонованої моделі дозволило розрахувати залежності параметрів ММР ККА, величин рН і концентрацій комплексних і поліконденсаційних структур від складу розчину і температури. Детально простежено еволюцію відносного змісту різних структур, що містять цинк і кремній, в ході зміни температури і загальної концентрації цинку. Зроблено висновок про те, що реологічна аномалія в досліджуваній системі існує завдяки особливому поєднанню термодинамічних параметрів і навряд чи широко поширена серед метало-комплексних силікатів

Біографії авторів

Nikolai Maliavski, Національний дослідницький Московський державний будівельний університет Ярославське шосе, 26, м. Москва, Росія, 129337

Кандидат химических наук, доцент

Кафедра строительных материалов и материаловедения

Olga Zhuravlova, Корпорація «ППГ» вул. Володимира Мономаха, 25-А2, м. Дніпро, Україна, 49000

Кандидат фізико-математичних наук, заступник директора

Посилання

  1. Iler, R. K. (1979). The Chemistry of Silica: Solubility, Polymerization, Colloid and Surface Properties and Biochemistry of Silica. Wiley, 896.
  2. Malyavskiy, N. I. (2003). Shchelochnosilikatnye utepliteli. Svoystva i himicheskie osnovy proizvodstva. Rossiyskiy himicheskiy zhurnal, 4, 39–45.
  3. Maliavski, N., Tchekounova, E., Dushkin, O. (1994). Silica fibers obtained from aminosilicate solutions with a reversible spinnability. Journal of Sol-Gel Science and Technology, 2 (1-3), 503–505. doi: https://doi.org/10.1007/bf00486298
  4. Toutorski, I. A., Tkachenko, T. E., Maliavski, N. I. (1998). Structural and chemical modification of polydiene latexes by gel derived silica. Journal of Sol-Gel Science and Technology, 13 (1/3), 1057–1060. doi: https://doi.org/10.1023/a:1008628919412
  5. Maliavski, N. I., Dushkin, O. V. (2011). Some regularities of the rheological anomaly existence in aqueous silicate solutions. Vestnik MGSU, 4, 163–168.
  6. Maliavski, N., Zhuravlova, O., Denysiuk, O. (2017). The rheological anomaly in water-silicate systems: a possible thermodynamic explanation. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4 (6 (88)), 23–28. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.105837
  7. Grigor'ev, P. N., Matveev, M. A. (1956). Rastvorimoe steklo. Moscow: Izd-vo GILSM, 442.
  8. Maliavski, N., Zhuravlova, O. (2018). Calculation of polycondensation equilibria in aqueous solutions of silica and silicates. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4 (6 (94)), 48–55. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.140561
  9. Falcone Jr., J. S., Bass, J. L., Krumrine, P. H., Brensinger, K., Schenk, E. R. (2010). Characterizing the Infrared Bands of Aqueous Soluble Silicates. The Journal of Physical Chemistry A, 114 (7), 2438–2446. doi: https://doi.org/10.1021/jp908113s
  10. Vidal, L., Joussein, E., Colas, M., Cornette, J., Sanz, J., Sobrados, I. et. al. (2016). Controlling the reactivity of silicate solutions: A FTIR, Raman and NMR study. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 503, 101–109. doi: https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2016.05.039
  11. González-Panzo, I. J., Martín-Várguez, P. E., Oliva, A. I. (2014). Physicochemical Conditions for ZnS Films Deposited by Chemical Bath. Journal of The Electrochemical Society, 161 (4), D181–D189. doi: https://doi.org/10.1149/2.067404jes
  12. Reinisch, M., Perkins, C. L., Steirer, K. X. (2015). Quantitative Study on the Chemical Solution Deposition of Zinc Oxysulfide. ECS Journal of Solid State Science and Technology, 5 (2), P58–P66. doi: https://doi.org/10.1149/2.0201602jss
  13. Liu, Z., Zhang, J., Liu, Z., Li, Q. (2018). Thermodynamics of metal ion complex formation in the Zn2SiO4-NH3-(NH4)2SO4-H2O system (I): Analysis of the Zn(II) complex equilibrium. Hydrometallurgy, 178, 12–18. doi: https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2018.03.019
  14. Liu, Z., Zhang, J., Liu, Z., Li, Q. (2018). Thermodynamics of metal ion complex formation in the Zn2SiO4-NH3-(NH4)2SO4-H2O system (II): Analysis of Si(IV) components and experimental verification. Hydrometallurgy, 178, 77–83. doi: https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2018.04.004
  15. Nichita, D. V. (2018). New unconstrained minimization methods for robust flash calculations at temperature, volume and moles specifications. Fluid Phase Equilibria, 466, 31–47. doi: https://doi.org/10.1016/j.fluid.2018.03.012
  16. Shields, G. S., Seybold, P. G. (2013). Computational Approaches for the Prediction of pKa Values. CRC Press, 175. doi: https://doi.org/10.1201/b16128
  17. Kravchenko, A. A., Demianenko, E. M., Filonenko, O. V., Grebenyuk, A. G., Lobanov, V. V., Terets, M. I. (2017). A quantum chemical analysis of dependence of the protolytic properties of silica primary particles on their composition and spatial structure. Poverhnost', 9 (24), 28–35. Available at: http://nbuv.gov.ua/UJRN/Pov_2017_9_5
  18. Davidovits, J. (2017). Geopolymers: Ceramic-Like Inorganic Polymers. Journal of Ceramic Science and Technology, 8 (3), 335–350. doi: http://doi.org/10.4416/JCST2017-00038
  19. Anseau, M. R., Leung, J. P., Sahai, N., Swaddle, T. W. (2005). Interactions of Silicate Ions with Zinc(II) and Aluminum(III) in Alkaline Aqueous Solution. Inorganic Chemistry, 44 (22), 8023–8032. doi: https://doi.org/10.1021/ic050594c

##submission.downloads##

Опубліковано

2019-10-01

Як цитувати

Maliavski, N., & Zhuravlova, O. (2019). Моделювання реологічної аномалії в системі Na2O – SiO2 – NH3 – ZnO – H2O. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5(6 (101), 41–48. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.176821

Номер

Том 5 № 6 (101) (2019): Технології органічних та неорганічних речовин

Розділ

Технології органічних та неорганічних речовин

Ліцензія

Авторське право (c) 2019 Nikolai Maliavski, Olga Zhuravlova

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.