Разработка химико-металлургического способа получения ультрадисперсных порошков железа и их применение в отраслях экономики

Актуальность. Ультрадисперсные порошки металлов, обладающие комплексом уникальных свойств, нашли применение в промышленности для изготовления новых материалов, в том числе функционального назначения, и формирования покрытий. Разработаны различные способы их получения и созданы технологические схемы, обеспечивающие получение новых порошковых материалов.

В настоящей работе на основе современных представлений о самоорганизации физико-химических процессов в системах, далеких от равновесия, развиты физико-химические основы получения ультрадисперсных порошков железа с размерами частиц, определяемыми функциональным назначением порошковисследованы физико-химические свойства получаемых ультрадисперсных порошков железа и их способность влиять на биологические объектыорганизовано наукоемкое производство ультрадисперсных порошков железа с использованием технологий, включающих неравновесные физико-химические процессы, с целью производства наполнителей гибких теплопроводящих сред, отводящих тепловые потоки от электронных схем, пигментов для высококачественных красителейсозданы биопрепараты на основе ультрадисперсных порошков железа в результате проведенных систематических исследований биологического характера и статистической обработки данныхосвоен выпуск биопрепаратов для нужд сельского хозяйства.

Цельработы — развитие физико-химических основ получения ультрадисперсных порошков железа низкотемпературным водородным восстановлением в условиях самоорганизации процесса и изучение физико-химиче ских свойств получаемых ультрадисперсных порошков железа и их способность влиять на биологические объекты.

В связи со сказанным были поставлены следующие задачи:

1. определить требовния к исходному сырью и условиям его восстановления, обеспечивающим получение порошка железа с частицами ультрадисперсных размеров и узким разбросом частиц по размерам;

2. Исследовать процесс низкотемпературного водородного восстановления частиц коллоидных размеров и определить температурно-временные режимы их восстановления, обеспечивающие сохранность ультрадисперсных размеров частиц.

3. Исследовать физико-химические свойства получаемых порошков, изучить возможность управления теплопроводящими свойствами порошков и определить требования к дисперсным компонентам, пригодным для использования в теплопроводящих средах, обеспечивающих значения коэффициента теплопроводсти на на уровне 2,0 Вт/м.К.

4. Исследовать биологические особенности ультрадисперсных порошков железа, разработать на их основе высокоактивные биопрепараты нового поколения и определить возможные области их использования на практике.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы состоит в следующем:

— установлены основные требования к ультрадисперсным порошкам железа в качестве функциональных материалов для решения широкого круга задач — получения высококачественных пигментов, наполнителей гибких теплопроводящихсред, высокоэффективных биопрепаратов;

— развиты физико-химические основы получения ультрадисперсных порошков железа с размерами частиц, определяемыми функциональным назначением;

— выявлены различия процессов низкотемпературного водородного восстановления высокодисперсных и ультрадисперсных железосодержащих соединений;

— установлено подчинение процесса низкотемпературного водородного восстановления ультрадисперсного гидроксида железа законам самоорганизации диссипативных структур, экспериментально установлено соответствие точек бифуркаций неравновесным фазовым переходам от гематита к магнетиту и от магнетита к металлическому железу;

— на основе изучения основных физических свойств продуктов восстановления оксида и гидроксида железа в зависимости от их химического состава и дисперсности установлена слабая зависимость теплопроводности от химического состава и значительная — от дисперсности, разработан способ управления теплопроводящими характеристиками изделий;

— на основании статистической обработки результатов многолетних опытов показана физиологическая активность ультрадисперсных порошков железа, определен ее характерстимулирующая активность, установлена экологическая безопасность использования ультрадисперсных порошков железа.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ. В результате проведенных исследований разработан оригинальный химико-металлургический способ получения ультрадисперсных порошков железа и устройство для его осуществления (патент РФ 2 058 223) — организовано наукоемкое опытно-промышленное производство ультрадисперсных порошков железана основе ультрадисперсных порошков железа разработаны и использованы в пилотном образце суперкомпьютера типа «Эльбрус» гибкие теплопроводящие элементы, обеспечивающие отвод тепла от электронных схем и имеющие коэффициент теплопроводности не ниже 2,0 Вт/м.Кразработаны на основе ультрадисперсных порошков железа экологически чистые высокоэффективные биологически активные препараты, которые зарегистрированы в Министерстве сельского хозяйства и продовольствия РФ под № 369−0П, утверждено Наставление по их применению J 13−5-2/603 и Технические условия их производства ТУ-931 800−001−42 720 760−96. Предпосевная обработка семян ультрадисперсными порошками защищена патентом РФ $ 2 056 084. Получено положительное решение о выдаче патента Украины на подготовку семян к севу. Ультрадисперсные биопрепараты находят применение в растениеводстве, животноводстве, птицеводстве, рыбоводстве и кормопроизводстве.

41Еобацияработы. Заключительные этапы работы докладывались на симпозиуме «Синергетика. Структура и свойства материалов», посвященном 100-летию со дня рождения И. А. Одинга, Москва, 1996; на секции «Ультрадисперсные порошки» Международного аэрозольного симпозиума, Москва, 1996; на Межрегиональной конференции с международным участием.

Ультрадисперсные порошки, материалы и наноструктуры", j.

Красноярск, 1996; на 111 Совещении программы Минатома РФ «Получение, исследование свойств и применение ультрадисперсных материалов — нанокристаллов», Москва, 1997; на Международной конференции «Новейшие процессы и материалы в порошковой металлургии», Киев, 1997; на 1Y Всероссийской конференции «Физикохимия ультрадисперсных систем» г. Обнинск, 1998; на Международной научно-практической конференции.

Проблемы развития рыбного хозяйства на внутренних водоемах в условиях перехода к рыночным отношениям", Минск, 1998; на II Межрегиональной научно-тенической конференции.

Ультрадисперсные порошки, материалы и наноструктуры", Красноярск, 1999; на семинаре «Ультрадисперсные (нано) материалы», г. Москва, 2000; на семинаре Института сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии, г. Обнинск, 2000; на Международной конференции «Нано 2000», г. Сендай, 2000; на Международной конференции «Осетровые на рубеже XXI века», Астрахань, 2000; на У Всероссийской конференции «Физикохимия ультрадисперсных систем», г. Екатеринбург, 2000.

ПУБЛИКАЩИ. По теме диссертации опубликованы 52 статьи в ведущих научных журналах и сборниках трудов. Научная новизна тенических решений защищена 21 авторским свидетельством и 3 патентами РФ. На тему диссертации написано 4 монографии.

— 101 -ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

По результатам комплексного исследования процессов получения ультрадисперсных порошков железа и их использования в ряде функциональных материалов можно сделать следующие выводы:

I. Показано, что ультрадисперсные порошки железа применимы в качестве функциональных материалов для решения широкого круга задач. Порошки с размерами частиц до 30 нм и ниже пригодны для использования в качестве пигментов высококачественных красителей, в качестве дисперсной фазы наполнителей гибких теплопроводящих сред, в качестве магнитных носителей как для решения технических задач, так и в медицине, а ультрадисперсные порошки с размерами частиц от 7 до 25 нм пригодны в качесьве высокоэффективных экологически чистых биопрепаратов для повышения продуктивности в растениеводстве, животноводстве, птицеводстве, рыбоводстве и кормопроизводстве.

2. Предложены оригинальные способы и устройства для получения порошков в неравновесных условиях, их обработки с целью изменения геометрической формы или структуры, а также плакирования. Технические решения защищены 2 патентами РФ и 12 авторскими свидетельствами СССР.

3. Разработан на основе современных представлений о самоорганизации физико-химических процессов в системах далеких от равновесия способ низкотемпературного водородного восстановления гидроксида железа с коллоидными размерами частиц и получены ультрадисперсные порошки железа с частицами размером от 7 нм, удельной поверхностью, превышающей 90 м2/г. Основными факторами, определяющими размеры частиц порошка железа, являются температурно-временные режимы восстановления и размер частиц восстанавливаемого вещества. Ультрадисперсные порошки железа с выше указанными размерами частиц получены восстановлением гидроксида железа с коллоидными размерами частиц при температуре 350−550°С в течение 15−20 часов. Полученные порошки железа пирофорны и требуют пассивации.

4. Показано, что ранее разработанные физико-химические основы восстановления крупнокристаллических агрегатов выполняются и при восстановлении ультрадисперсного гидроксида железа. Предложен механизм восстановления гидроксида железа с коллоидным размером частиц в фильтрующем слое водорода. Показано, что во время восстановления высокодисперсного оксида 9 железа с удельной поверхностью до 10 м /г реализуется известный ступенчатый процесс, а во время восстановления о гидроксида железа с удельной поверхностью выше 50 м /г наблюдается последовательно-параллельный процесс.

5. Установлено, что изменение характеристик процесса во время восстановления гидроксида железа водородом в фильтрующем слое является следствием его организации, при которой процессы восстановления протекают в условиях равнодоступности восстанавливающего газа к частицам сырья.

6. Показано, что во время восстановления гидроксида железа с коллоидными размерами частиц двухвалентное железо в продуктах восстановления возникает при содержании общего железа в пределах 60−61%, а металлическое железо — при содержании общего железа 68−69% в присутствии двухвалентного железа в количестве 20−21%. Эти явления обусловлены протеканием последовательно-параллельного процесса во время восстановления и наличием разброса частиц сырья по размерам, основная масса которых укладывается в пределах от 7 до 40 нм.

— 1037. Установлено, что изменение химического состава продуктов восстановления гидроксида железа во времени подчиняется законам самоорганизации диссипативных структур, экспериментально установлено соответствие точек бифуркаций неравновесным фазовым переходам от гематита к магнетиту и от магнетита к металлическому железу.

8. На основе изучения основных физических свойств продуктов восстановления оксида и гидроксида железа в зависимости от их химического состава и диспекрсности установлена слабая зависимость теплопроводности от химического состава и значительная — от дисперсности, разработан способ управления теплопроводящими характеристиками изделий.

9. В результате систематических исследований в различных климатических зонах и на разных почвах, статистической обработки результатов исследований установлена биологическая активность ультрадисперсных порошков железа. Исследования проводились в Подмосковье, Калужской, Белгородской, Челябинской, Курганской обл., в Краснодарском и Ставропольском краях, в Армении, Белоруссии, Украине, Латвии, Киргизии и Ферганской долине Узбекистана.

10. Показано отличие воздействия на биологические объекты ультрадисперсных порошков железа от воздействия на них солей железа, известных микроэлементов. Соли железа являются мощным источником короткоживущих ионов железа, в то время как ультрадисперсные порошки железа — маломощными источниками, но пролонгированного действия.

11. Установлено, что предпосевная обработка сельскохозяйственных культур порошками ультрадисперсного железа повышает всхожесть семян в среднем на 15%, ускоряет их.

— 104прорастание после сева в среднем на 4 дня, увеличивает вес корневой системы растений в среднем на 20%, фотосинтетическую поверхность — на 15%. Результатом предпосевной обработки семян является повышение урожайности сельхозкультур на 10−30% и улучшение качества растительного сырья. Препараты зерегистри-рованы в Министерстве сельского хозяйства и продовольствия РФ под $ 000−369−0П, утверждено наставление по их применению № 13−5-2/603 и Технические условия их производства ТУ-931 800−001−42 720 760−96.