Силикатного: Производитель силикатного кирпича в Костроме

Силикатный кирпич нового поколения!

Силикатный кирпич нового поколения!

 

Стереотипы о высоком водопоглощении и низкой водостойкости силикатного кирпича возникли в середине 19-го века и преследуют его и по сей день.

Хотя силикатный кирпич до 20-го века был качественно другим материалом, чем сейчас, тем не менее, и тогда он не был не водостойким и здания из силикатного кирпича построенные в 70-х годах успешно эксплуатируются и по сей день.

А с развитием научно технического прогресса, технология производства силикатного кирпича претерпела значительные изменения и модернизацию, что позволило поднять качество силикатного кирпича на новый уровень.

До 2000-х годов нашего века для формования силикатного кирпича применялись пресса револьверного типа, для формования в которых, масса должна была иметь высокую влажность (9-10%) и давление прессования в них было достаточно низкое.

Из-за этого структура силикатного кирпича получалась не достаточно плотной и прочной. Еще в ГОСТе 379-95 марки силикатного кирпича по прочности начинались с М75 и М100 и такие марки для кирпича были нормой.

В начале 20-го века в технологию силикатного кирпича пришли гидравлические пресса немецкого производства, а позже и российского. Они требуют силикатную массу для прессования со значительно меньшим содержанием воды (6-7%) и давление прессования у них значительно выше. С этого момента силикатный кирпич приобрел четкую геометрию и более высокую прочность. Сейчас прочность выпускаемого силикатного кирпича начинается с марки М150.

Преимуществом нашего предприятия является то, что для выпуска силикатного кирпича мы применяем известь собственного производства. А это значит, что мы можем себе позволить при производстве кирпича руководствоваться не экономией дорогостоящей извести, а качеством продукции. Это позволяет нам стабильно выпускать пустотелый кирпич марок по прочности М175 и М200, а полнотелый М200 и М250. Такой кирпич имеет более плотную структуру, поэтому и водопоглощение у него значительно снизилось. Водопоглощение силикатного кирпича нашего производства составляет 14-16%. Это сказывается и на морозостойкости, которая для нашего кирпича составляет 75-100 циклов.

Что же касается водостойкости?

Водостойкость характеризуется коэффициентом размягчения (Kр) – это отношение прочности материала при сжатии в водонасыщенном состоянии к прочности при сжатии в сухом состоянии. Т.е., он показывает, на сколько материал снижает свою прочность в водонасыщенном состоянии. Если Kр более 0,8 материал относится к категории водостойкого. Практически все материалы во влажном состоянии имеют прочность ниже, чем прочность в сухом состоянии. Для водостойких материалов это связано ни с тем, что в них что то растворяется или вымывается, а с расклинивающим действием воды. Вода, проникая материал, как бы раздвигает частицы и ослабляет связи между ними. Высыхая, водостойкий материал восстанавливает свою первоначальную прочность.

И у бетона и у керамического кирпича, так же как и у силикатного, прочность во влажном состоянии несколько ниже, чем в сухом. И водостойкость силикатного кирпича, такая же как и у керамического (Kр=0,85-0,9), а конкретное значение Kр зависит не от вида кирпича, а от его качества. Силикатный кирпич производства ООО «ВЗКГ» имеет коэффициент размягчения не ниже 0,89.

Миф о низкой водостойкости силикатного кирпича возник еще и потому, что для его производства используется воздушная строительная известь. Воздушные вяжущие действительно способны твердеть и длительно сохранять свою прочность только в воздушно-сухих условиях. Но, в случае производства силикатного кирпича известь выступает не в роле воздушного вяжущего, а как компонент известково-кремнеземистого вяжущего, а это вяжущее автоклавного твердения. Т.е., известь в условиях автоклавной обработки вступает во взаимодействие с кварцевым песком с образованием гидросиликатов кальция. Гидросиликаты кальция образуются и в результате твердения цемента.

Т.о., в процессе автоклавной обработки силикатного кирпича образуется прочный и водостойкий камень.

Вес одинарного, полуторного и двойного силикатного кирпича

При возведении конструкции из кирпича, чтобы были соблюдены все строительные нормы, необходимо знать некоторые параметры материала: вес, размеры и плотность. И именно масса кирпича наиболее важна, поскольку этот показатель поможет в дальнейшем рассчитать и расход сырья, и допустимую нагрузку на конструкцию.
Силикатный кирпич – самый тяжелый из всех своих «собратьев». К примеру, вес полуторного силикатного кирпича 250х120х88 может быть равен 3,7-5 кг. Но почему такой разбег по массе? Все дело в том, что современные производители при изготовлении материала ориентируются на конкретные ТУ, которые допускают некоторые расхождения. Разберемся, сколько весит силикатный кирпич с учетом его размера и формы.

Взвесим силикатный кирпич

Вес силикатного кирпича

Силикатные кирпичи, несмотря на одинаковый состав, бывают разными. По размеру они делятся на:

• одинарные,
• полуторные,
• двойные.

Также разнится и форма материала – силикатный кирпич выпускается полнотелым и с пустотами.

Вес любого материала зависит напрямую от его плотности и объема. Естественно, объем пустотелого кирпича, за счет имеющихся здесь пустот, будет в меньшую сторону отличаться от объема полнотелого. Получается, что и масса их будет отличаться. То же самое и с габаритами материала – вес двойного силикатного кирпича 250Х120Х138 будет несколько превышать вес полуторного, поскольку размеры его больше.

Так каков же вес силикатного кирпича, исходя из его размеров и формы? Представим данные в таблице (по ГОСТу 379-95):

Размер	Вес 1 шт кирпича, кг.
Полнотелый
одинарный	3,7
полуторный	4,2 — 5
Пустотелый
одинарный	3,2
полуторный	3,7
двойной	5,4

Это интересно:

Как выложить камин из кирпича своими руками?

Как сделать утепление наружных стен кирпичного дома?

Выполняем заделку трещин в кирпичной кладке.

При проектировании конструкции и дальнейшем ее возведении, помимо того, что учитывается вес 1 шт силикатного кирпича, берется во внимание и объемный вес материала. Этот параметр обозначает массу 1 м³ кирпича. Рассмотрим схему расчета объемного веса для одинарного полнотелого силикатного кирпича.

Мы знаем, что удельный вес кирпича составляет 3,7 кг, а его габариты по длине, ширине и высоте составляют соответственно – 250 мм, 120 мм и 65 мм.

Если вы приобретаете кирпич, изготовленный не по ГОСТу, то для расчетов придется самостоятельно снять мерки с одного из блоков.

Далее потребуется вычислить объем одного кирпича, перемножив его габаритные размеры:

0,25*0,12*0,065=0,00195

Теперь узнаем, сколько кирпичей в 1 м³:

1/0,00195= 512,82 шт≈513 шт

Итак, объемный вес одинарного силикатного кирпича 250х120х65 без пустот вычисляется так:

513*3,7=1898,1 кг≈1900 кг

Данные по остальным видам кирпича представим в таблице:

Размер	Вес 1 шт кирпича, кг	Вес 1 м3 кирпича, кг (Кол-во штук в 1 м3)
Полнотелый
одинарный	3,7	1900 (513)
полуторный	4,2 — 5	1592-1895 (379)
Пустотелый
одинарный	3,2	1640 (513)
полуторный	3,7	1400 (379)
двойной	5,4	1305 (242)

СИЛИКАТНЫЙ — это.

.. Что такое СИЛИКАТНЫЙ?

Силикатный — Город: Липецк Административный округ города: Левобережный Координаты: Координаты …   Википедия

силикатный — силикатовый Словарь русских синонимов. силикатный прил., кол во синонимов: 2 • армосиликатный (1) • …   Словарь синонимов

силикатный — ая, ое. silicate m. Отн. к силикатам; связанный с производством силикатов. Силикатная промышленность. Силикатный завод. БАС 1. Под каменным силикатным поясом, наиболее глубоко залегающим членом является перидотовая или эклогиновая постель,… …   Исторический словарь галлицизмов русского языка

силикатный — СИЛИКАТЫ, ов, ед. силикат, а, м. (спец.). Минералы, составляющие основную массу земной коры; промышленные материалы для изготовления цемента, стекла, огнеупоров, кирпича, керамики. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 …   Толковый словарь Ожегова

Силикатный — прил. 1. соотн. с сущ. силикаты, связанный с ним 2. Свойственный силикатам, характерный для них. 3. Изготовленный из силикатов. Толковый словарь Ефремовой. Т. Ф. Ефремова. 2000 …   Современный толковый словарь русского языка Ефремовой

силикатный — силикатный, силикатная, силикатное, силикатные, силикатного, силикатной, силикатного, силикатных, силикатному, силикатной, силикатному, силикатным, силикатный, силикатную, силикатное, силикатные, силикатного, силикатную, силикатное, силикатных,… …   Формы слов

силикатный — силик атный …   Русский орфографический словарь

силикатный — см. Силикаты …   Энциклопедический словарь

Силикатный — 424910, Марий Эл Республики, г.Йошкар Ола …   Населённые пункты и индексы России

Силикатный (2) — 431308, Мордовия Республики, Ковылкинского …   Населённые пункты и индексы России

Выбор материала для стен: силикатный кирпич

средний для пяти образцов

наименьший из пяти значений

средний для пяти образцов

наименьший из пяти значений

средний для пяти образцов

наименьший из пяти значений

300 250 200 175 150 125 100 75

30,0 (300) 25,0 (250) 20,0 (200) 17,5 (175) 15,0 (150) 12,5 (125) 10,0 (100) 7,5 (75)

25,0 (250) 20,0 (200) 15,0 (150) 13,5 (135) 12,5 (125) 10,0 (100) 7,5 (75) 5,0 (50)

4,0 (40) 3,5 (35) 3,2 (32) 3,0 (30) 2,7 (27) 2,4 (24) 2,0 (20) 1,6 (16)

2,7 (27) 2,3 (23) 2,1 (21) 2,0 (20) 1,8 (18) 1,6 (16) 1,3 (13) 1,1 (11)

2,4 (24) 2,0 (20) 1,8 (18) 1,6 (16) 1,5 (15) 1,2 (12) 1,0 (10) 0,8 (8)

1,8 (18) 1,6 (16) 1,3 (13) 1,2 (12) 1,1 (11) 0,9 (9) 0,7 (7) 0,5 (5)

Сырьевые материалы и производство силикатного кирпича

Силикатный кирпич. Силикатный или известково-песчаный кирпич, по форме и размерам аналогичный обычному красному кирпичу, изготовляется путем прессования увлажненной смеси кварцевого песка и извести с последующим запариванием в автоклавах. Механическая прочность кирпича обусловливается химическим взаимодействием гидроокиси кальция Са(ОН)2 с кремнеземом и образованием гидросиликатов кальция, скрепляющих зерна песка.

Сырьем для производства силикатного кирпича служат кварцевый песок (92—95% от массы сухой смеси) и воздушная известь (5—7%, считая на активную окись кальция). В известково-песчаную смесь вводят примерно 7% воды. Кварцевые пески, применяемые в производстве кирпича, должны состоять из зерен различной крупности (вследствие чего они имеют меньший объем пустот), не иметь много примесей слюды (до 0,5) и крупных включений глины, снижающих качество изделий. Предпочтительно использовать горные пески, которые вследствие остроугольной формы и шероховатой поверхности зерен лучше сцепляются с известью, чем речные пески с гладкой поверхностью и округлой формой. В отдельных случаях желательно введение части предварительно измельченного кварцевого песка для повышения прочности силикатного кирпича.

Известь может быть негашеной или гидратной с содержанием не более 5% окиси магния. Наличие в извести пережога затрудняет гашение ее в гасильных аппаратах и может способствовать растрескиванию кирпича. Предпочтительно использовать быстрогасящуюся известь с содержанием около 70 % активной СаО. Часто используют свежеобожженную известь, получаемую непосредственно на заводах силикатного кирпича.

Производство кирпича в зависимости от условий приготовления известково-песчаной смеси ведут силосным или барабанным способами и включает следующие операции: измельчение извести-кипелки, смешение извести с песком, гашение извести в смеси с песком, дополнительное перемешивание и увлажнение смеси, формование, (прессование) кирпича, запаривание кирпича в автоклавах.

При силосном способе производства тонкомолотую негашеную известь перемешивают (при незначительном, увлажнении) с кварцевым песком и загружают в силосы на 7—12 ч для гашения. После гашения известково-песчаная масса поступает в лопастную мешалку или бегуны для дополнительного перемешивания и увлажнения, после чего направляется в пресс для формования кирпича. от нашего агентства

Отличительной особенностью барабанного способа производства кирпича является то, что измельченные известь и песок загружают во вращающийся металлический гасительный барабан, где производится гашение извести под давлением пара 1,5—2 атм.

Размер силикатного кирпича, его особенности и укладка

ПОДЕЛИТЕСЬ
В СОЦСЕТЯХ

Кирпич – один из самых популярных типов строительных материалов, который активно используется во всем мире. Он надежен, долговечен, прост в изготовлении и укладке, а также относительно недорого стоит. Существует большое количество разновидностей кирпича, но именно силикатный кирпич пользуется наибольшей популярностью в последнее время. Размер силикатного кирпича и другие его характеристики имеют большое значение, поэтому детально рассмотрим их ниже.

Возведение стены из полнотелого силикатного кирпича

Для чего используется силикатный кирпич, размер силикатного кирпича

Любой кирпич на 90% состоит из кварцевого песка, а остальную массу составляет известь и различные добавки. Все это прессуется сухим методом, обжигается, в итоге получаются брикеты правильной геометрической формы. Размеры силикатного блока, как и любого другого, универсальны и составляют 250×120×65 мм. Также существует так называемый полуторный кирпич, толщина которого составляет 88 мм.

Силикатный кирпич отличается от других типов тем, что изготавливается по особой технологии, которая подразумевает автоклавную обработку горячим паром под высоким давлением. Температура пара может составлять до 200 градусов, а давление – 12 атмосфер. В результате такой обработки молекулы извести и песка прочно сцепляются друг с другом, из-за чего силикатный кирпич характеризуется повышенными прочностными характеристиками.

Дом выполнен из силикатного белого кирпича

Размеры полуторного силикатного кирпича, как и обычного, позволяют использовать его для выполнения широкого спектра задач. Так, он применяется при возведении малоэтажных зданий, отделки фасадов, возведения межкомнатных перегородок. А вот для строительства многоэтажек силикатный кирпич не подходит.

Полезный совет! Не стоит использовать силикатный кирпич для строительства конструкций, которые планируется подвергать воздействию высоких температур, например, каминов и печей. Под воздействием температуры свыше 200 градусов кирпич может лопнуть или взорваться.

Эксплуатационные характеристики силикатного кирпича делают его отличным материалом для облицовки фасадов. Он может быть белым или окрашенным практически в любой цвет, что открывает широкий простор для дизайнерской фантазии.

Пустотелый кирпич используется при сооружении облегченных конструкций

Преимущества и недостатки силикатного кирпича

Каждая марка силикатного кирпича отличается от другой по прочности. Но, кроме этого, любой кирпич обладает следующими достоинствами:

• простота в укладке – уложить стену или другую конструкцию из данного материала так же просто как и из любого другого типа кирпича, для этого не нужно иметь специализированные инженерные навыки или инструменты. Единственное отличие – это больший вес силикатных кирпичей 250×120×88 по сравнению с другими полуторными кирпичами;
• повышенная прочность материала – по сравнению с керамическим, прочностные характеристики силикатного кирпича выше в полтора раза. Это положительным образом влияет на качество и надежность возводимого сооружения;
• высокие показатели звукоизоляции – силикатный кирпич является отличным звукоизолирующим материалом и надежно защитит помещение от внешнего шума. Это делает его хорошим выбором для постройки перегородок в многоквартирных домах;

Схема утепления стены из силикатного кирпича

• демократичная цена – если задаваться вопросом о том, сколько стоят силикатные кирпичи, то ответ порадует даже самого скептически настроенного покупателя. Цена обычно ниже, чем у керамических на 20-30%. Это обусловлено тем, что на его изготовление требуется гораздо меньшее количество времени и энергии;
• презентабельный внешний вид – цветные силикатные кирпичи отлично подойдут для внешних отделочных работ. Кроме того, они могут похвастаться гладкой поверхностью и ровной формой, поэтому фасад из силикатного кирпича не нуждается в дополнительной обработке, например, в оштукатуривании;
• экологическая безопасность – по ГОСТу силикатный кирпич изготавливается из экологически чистых материалов, а на его поверхности не образуется плесень или грибок.

Таким образом, видно, что силикатный кирпич – это очень хороший выбор для вашего строительства. Фото силикатного кирпича демонстрируют его презентабельный внешний вид, а отзывы специалистов подтверждают отличные эксплуатационные характеристики. Этот материал используется на стройках во всем мире уже не первый год, а его популярность постоянно растет, что свидетельствует о высоком качестве и надежности.

Силикатный кирпич считается достаточно прочным материалом

Полезный совет! Ответ на вопрос, сколько силикатных кирпичей в 1 м² зависит от того, полуторные или обычные это блоки. Поэтому задавая такой вопрос продавцу, обязательно уточняйте габариты изделия.

Силикатный кирпич – это строительный материал, не лишенный недостатков. У него также есть ряд слабых сторон, о которых важно знать:

• невысокие показатели морозоустойчивости – если вы строите дом из силикатного кирпича то учтите, что его придется дополнительно утеплять. Какой бы размер силикатного кирпича вы не выбрали, его структура очень восприимчива к низким температурам, а также может пострадать в холодное время года из-за поглощения влаги;
• относительно невысокая теплоизоляция – со звукоизоляцией силикатный кирпич справляется хорошо, а вот тепло задерживает неважно. Поэтому вне зависимости от того, сколько силикатных кирпичей в 1 м³ кладки, вам все равно придется дополнительно утеплять стены дома из этого материала;

Внешние стены здания сооружены из полнотелого силикатного кирпича

• большой вес – это и плюс, и минус материала одновременно. Вес полуторных силикатных кирпичей, как и обычных, положительно влияет на прочностные характеристики сооружения, но создает ряд неудобств при транспортировке и укладке материала;
• непригодность для возведения отдельных типов сооружений – из силикатного кирпича не рекомендуется строить многоэтажные здания, а также печи, камины и дымоходы, то есть конструкции, которые могут подвергнуться воздействию высоких температур.

Спорный момент – это влагопоглощение материала. По ГОСТу допускается поглощение влаги до 6%. При этом скорость впитывания влаги у силикатного изделия ниже, чем у керамического. Поэтому, сколько силикатных кирпичей в 1 м³ кладки бы ни было, она будет лучше сопротивляться влаге, чем такая же кладка из керамического кирпича.

При всех этих недостатках положительные стороны, например цены за штуку силикатного кирпича, перевешивают их. Именно поэтому данный материал пользуется такой популярностью во многих странах мира.

Силикатный кирпич для облицовки здания

Типы и вес силикатных кирпичей

Прежде чем возводить конструкцию из материала, стоит определиться с его типом. Уже было сказано, что силикатный кирпич может быть стандартным или полуторным. Его вес, соответственно, будет ниже или выше. Кроме этого, существуют следующие типы:

• пористый кирпич;
• кирпич со сколотой фактурой;
• конструкционный кирпич – подлежит обязательной облицовке;
• шлаковый и зольный;
• цветной кирпич;
• лицевой кирпич – сочетает в себе свойства конструкционного и облицовочного.

Кроме того, различают пустотелый и полнотелый кирпич. Блоки первого типа, как видно из названия, имеют пустоты. Это уменьшает вес блока и влияет на такие его параметры, как теплопроводность и звукоизоляция. Полнотелый кирпич весит больше, но и может похвастаться большей прочностью.

Силикатный кирпич часто применяется в промышленном и частном строительстве

Каждый из этих типов материала предназначен для конкретных строительных работ. Вне зависимости от того сколько кирпича в пачке силикатного кирпича, каждый из типов обладает своими характеристиками, поэтому выбирать стоит исходя из специфики вашего строительства. Размер силикатного кирпича также имеет большое значение.

Например, если вы строите малоэтажное здание, то для этих целей лучше использовать полуторный или даже двойной блок. Это снизит финансовые расходы на материал, при этом улучшит внешний вид объекта. Логично, что фасады лучше облицовывать гладким и цветным кирпичом. Последний также хорошо подходит для строительства наружных стен.

Статья по теме:

Размер силикатного кирпича белого, характеристики и особенности укладки. Типы кирпича, эксплуатационные характеристики. Нюансы отделки. Преимущества и недостатки материала.

Внешняя облицовка сооружения гладким силикатным кирпичом разного типа хороша тем, что вам не нужна будет дополнительная отделка. Это поможет сэкономить не только время на строительство, но ваши финансы.

Нюансы укладки силикатного кирпича

Как уже было сказано, для укладки кирпича вам не понадобятся ни особые строительные навыки, ни специализированные инструменты. Понадобиться всего лишь обычный строительный уровень, рулетка, мастерок, отвес, лопатка для подачи раствора, молоток для обтесывания и выравнивания блоков, а также тара для цементного раствора.

Современные технологии позволяют выпускать силикатный кирпич различных цветов

Полезный совет! Перед тем как укладывать силикатный кирпич, его желательно вымочить в воде, чтобы потом он не впитывал влагу из раствора.

Сначала стоит определиться с тем, сколько силикатных кирпичей в поддоне. Потом нужно начинать укладку. Делать это лучше всего с углов постройки, между которыми нужно натянуть шнур. Именно под этот шнур впоследствии будет укладываться весь кирпичный ряд, поэтому данному моменту стоит уделить особое внимание. Продольные, поперечные и вертикальные швы в обязательном порядке перевязываются стальной проволокой через каждые 2-3 ряда.

Существует два основных метода укладки силикатного кирпича. Первый – это «вприжим», то есть с использованием жесткого раствора и полным заполнением им всех швов. Такой метод занимает больше времени, но гарантирует высокую прочность и надежность постройки. Главное при этом – не забыть о прошивке швов.

Метод «впритык» подразумевает частичное заполнение швов с использованием пластичного раствора. Такой способ быстрее, но менее качественный, поэтому полученную конструкцию рекомендуется дополнительно укреплять штукатуркой. Швы обязательно необходимо обработать, чтобы не образовывались трещины.

Пример стены с использованием лицевого силикатного кирпича

Укладка силикатного кирпича производится довольно быстро, если у вас уже есть определенные навыки в этом деле. Многочисленные видео и фото инструкции в интернете помогут вам получить нужные знания в легкой и доступной форме. Там же можно узнать сколько весят силикатные кирпичи того или иного типа, какой из них лучше использовать для конкретных работ, какой состав раствора лучше подходит для укладки и другую важную информацию.

Общие советы по работе с силикатным кирпичом

Существует ряд общих моментов, которые необходимо знать для эффективного использования такого строительного материала, как силикатный кирпич:

• не может быть и речи об использовании материала для строительства фундамента и цоколя здания. Основное препятствие этому – повышенное впитывание влаги;
• стены из материала, вне зависимости от размера силикатного кирпича стандартного или полуторного, придется дополнительно утеплять. Альтернативный вариант – делать более толстые стены, но утепление проще и экономнее;
• оптимальный вариант постройки – сочетание обычного и силикатного кирпича. В некоторых моментах вполне можно обойтись более дешевыми типами стройматериалов;

Кладка кирпича на предварительно подготовленную стену

• лучше всего силикатный кирпич подходит для строительства внутренних перегородок и стен. Размеры силикатного кирпича полуторного также неплохо подойдут для внешней облицовки фасадов;
• выбирать цвет, размер и тип силикатного кирпича нужно только после того, как вы определились с тем, где именно будет использоваться материал. Если вы плохо разбираетесь в вопросе, то лучше обратиться за помощью к опытному специалисту.

Полезный совет! Силикатный кирпич мало чем отличается от обычного, когда речь идет о его укладке. Поэтому можно смело использовать те же инструменты и технологии с учетом приведенных выше особенностей материала.

По итогам, можно сказать, что дом из силикатного кирпича – это очень выгодное и разумное решение. Однако, не стоит бездумно использовать материал для постройки абсолютно всех элементов и конструкций, следует тщательно взвесить все за и простив, усвоить рекомендации по выбору, работе и укладке. При грамотном подходе к строительству, дом из силикатного кирпича простоит долгие годы, а его ремонт и реконструкция понадобятся очень нескоро.

ОЦЕНИТЕ
МАТЕРИАЛ Загрузка… ПОДЕЛИТЕСЬ
В СОЦСЕТЯХ

СМОТРИТЕ ТАКЖЕ

REMOO В ВАШЕЙ ПОЧТЕ

Выбирая дом, узнай, из чего он построен

Выбирая дом, узнай, из чего он построен

Автор: Тимур ЛАТЫПОВ, «ВиД»

 

Более половины возводимых в Татарстане жилых домов строятся из непригодных для этого материалов, считает заслуженный строитель РТ, доцент Казанского государственного архитектурно-строительного университета Альмир САЛАХОВ, автор только что вышедшей книги «Керамика для строителей и архитекторов». Мы побеседовали с ним о причинах такого положения дел и путях решения проблемы.

 

ТРЕТЬЯ КОЖА

 

— Альмир Максумович, о каких материалах идет речь?

 

— Главным образом — о силикатном кирпиче. Весьма показательно нынешнее отношение к нему городских властей. Так, неоднократно заявлялось, что в центре Казани из него больше строить не будут. Но аргументы при этом всегда приводились и приводятся чисто эстетические. Да, в какой-то мере с этим можно согласиться, как и с тем, что эстетика центра более важна, чем эстетика спальных районов. Но силикатный кирпич на фасаде — это не только удар по облику города, это вопрос долговечности, экологической и конструкционной безопасности жилых зданий.

 

Возьмите силикатный кирпич в руки — и почувствуете, какой он холодный. Это потому, что он, как промокашка, впитывает влагу, а при повышенной влажности вообще разрушается. Поэтому стены из силикатного кирпича всегда защищали от прямого попадания дождя, почему построенные из него старинные дома и стоят по сто лет (также защиту, хотя и с меньшими требованиями, делали и в 60-х). Поэтому категорически запрещается применять его для устройства фундаментов или цоколей зданий. Остается только поражаться смелости (или невежеству) строителей, которые, например, на улице Гвардейской оставили десять этажей кладки силикатного кирпича почти до асфальта без какой-либо защиты. И такие примеры далеко не единичны. Куда смотрят наши контролирующие органы? И кто будет решать проблемы, которые возникнут в связи с этим лет через десять-пятнадцать? А в домах со стенами-промокашками они непременно возникнут. Что тогда с ними делать? И что делать людям, которые взяли в этих домах по ипотеке, лет на тридцать, квартиры?

 

Добавим, что из-за специфической структуры пор у силикатного кирпича очень слабая связь с растворами, а это не способствует прочности кладки. Вспомним взрыв здания на улице Гвардейской. Эксперты отметили, что на кирпиче почти нет следов раствора. Раствор, судя по всему, изначально имелся, не было необходимой его связи с кирпичом.

 

— Очевидный вопрос. Но ведь профессионалы не могут обо всем этом не знать, почему же строительство из силикатного кирпича продолжается? Может быть, ему просто нет альтернативы?

 

— Должны знать, хотя сегодня даже некоторые выпускники строительного университета не видят особой разницы между силикатным и керамическим кирпичом… В последние десятилетия в строительство пришло немало дилетантов, а иногда и откровенно криминальных элементов. Таких людей интересует лишь сегодняшняя прибыль, а еще лучше — сверхприбыль. Характерно, что, впаривая городу так называемое элитное жилье из силикатного кирпича, для своих коттеджей они покупают немецкий кирпич ценой два евро за штуку (кстати, в Германии он стоит 30-40 центов). Не думаю, что у них болит голова за качество городского строительства, наоборот, должны же они чем-то отличаться от простых людей.

 

Но главная беда — в «традициях». Силикатный кирпич придумали в конце XIX века в Германии для промышленного строительства. И это в нашей терминологии он называется кирпичом, а там — камнем из песка и извести. Он имеет свою область применения, но мы ее необоснованно расширили… Преимущества или недостатки материалов проявляются исключительно в конкретных зданиях или сооружениях. Например, для строительства мостовых переходов больше подходят бетонные конструкции, гипсовые материалы прекрасно себя показывают для внутренней отделки общественных зданий, силикатный кирпич — это складские, промышленные и сельскохозяйственные объекты. Наша страна длительное время была ориентирована на промышленное строительство, под эти задачи формировалась и база строительной индустрии. В итоге производившиеся материалы «заодно» применялись и для строительства жилищного. Этот перекос сохраняется и поныне. Но надо понять, что материалы для жилья — особенные. Помимо прочности, долговечности, огнестойкости, для них важны и такие характеристики, как равновесная влажность с окружающей средой, паропроницаемость, — то, что, условно говоря, позволяет стене «дышать», и так далее. Ведь стена жилого дома — это не просто ограждающая конструкция, ее справедливо называют третьей кожей человека… То есть у нас пока нет перелома в сознании, что для жилищного строительства необходимы материалы, которые отвечают требованиям для жилья человека. Простая иллюстрация приоритетов — основной факультет в КГАСУ называется факультетом «Промышленного и гражданского строительства»… Кстати, не раз сообщалось о том, что в центре Казани из силикатного кирпича больше строить не будут. Но нет, продолжают. Либо экспертиза пропускает такие проекты, либо проекты одни, а исполнение другое. А в Москве и Петербурге строительство жилья из силикатного кирпича давно прекращено.

 

ВЕК КЕРАМИКИ

 

— Теперь об альтернативе. Идеальных материалов в реальной жизни не существует. Скорее, можно говорить об оптимальных сочетаниях характеристик. И, исходя из этого, — об издревле знакомом нам материале — керамике. В период реализации программы ликвидации ветхого жилья мы обследовали стены, служившие 100-150 лет. Ветхим было все, что угодно, только не кирпич. Самое интересное — кирпич с этих сносившихся домов реализовался почти по цене новых изделий, в основном для индивидуального строительства — есть понимающие люди. В помощь — цифры. При относительной влажности воздуха 80% силикатный кирпич набирает абсолютную влажность до 8%, керамический — 0,5%.

 

Кроме того, прошло время, когда под строительной керамикой подразумевался только кирпич. Это чрезвычайно широкая номенклатура изделий и конструкций с самыми разными характеристиками, в том числе и кровельные материалы. Но все эти изделия объединяет экологическая безупречность, огнестойкость, долговечность и высокие эстетические характеристики. Мне представляется логичным дороги строить из бетона, каркасы высотных зданий — из металла, а вот многое из того, к чему прикасается человек, — из керамики. Ни один материал не может дать то чувство тепла, надежности, необходимой связи с землей, которое присутствует в архитектурном пространстве, созданном из обожженной глины. Это хорошо понимают за границей, где в ряде стран керамика является основным материалом для жилищного строительства. Объемы производства таких материалов во всем мире неуклонно растут. Это позволило ряду авторитетных экспертов сделать вывод, что ХХI век — век керамики. Есть удачные примеры строительства из керамического кирпича и в Казани — «Суворовский комплекс», «Панорама». Использование керамических материалов, насколько понимаю, — фирменный знак архитектора Виктора Токарева.

 

При этом я, конечно, не исключаю применение и других материалов, например гипса. Его экологические характеристики не хуже, чем у керамического кирпича, правда, область применения значительно уже.

 

— Но, как утверждают, массовое строительство из керамики нам не по карману…

 

— Надо разобраться, почему керамические материалы принято считать более дорогими (обычный керамический кирпич продается на 10-15% дороже силикатного).

 

В погоне за тотальной индустриализацией строительную керамику вообще хотели похоронить. Новые заводы по ее производству не строились, деньги на реконструкцию существующих предприятий не выделялись, оборудование для производства керамики не разрабатывалось и не производилось. И сейчас его нет, а то, что было, осталось в Белоруссии и Украине, страна вынуждена покупать оборудование за границей. Значительно отстала наука, сведена к минимуму подготовка специалистов. Все это не могло не сказаться на качестве кирпича. При этом стоит он дороже, чем в Западной Европе, — главным образом потому, что себестоимость его производства у нас значительно выше. В Татарстане энергоемкость производства керамического кирпича в 6-8 раз превышает соответствующие показатели в европейских странах, а производительность труда — в десятки раз ниже. Таким образом, относительная дороговизна керамического кирпича в нашей стране вызвана, прежде всего, потерей былого мастерства и отсталостью технологий, а отнюдь не специфическими особенностями керамики.

 

Добавлю, что с целью изменить свойства силикатного кирпича был разработан новый материал — ячеистый бетон. По теплофизическим характеристикам он приближается к эффективным керамическим блокам, однако энергоемкость его производства на ряде предприятий Татарстана превышает соответствующие показатели керамических блоков.

 

ДЕНЬГИ ИЗ ВОЗДУХА

 

— Как преодолеть это отставание? И шире: как сделать так, чтобы строительство из керамики стало выгодным?

 

— Выгодным для населения и экономики республики строительство из керамического кирпича будет тогда, когда мы его в самой широкой номенклатуре будем производить сами, а не завозить из других регионов. В течение последних десяти «тучных» лет мы активно способствовали развитию промышленности строительных материалов в соседних регионах, закупая у них до 200 миллионов кирпичей ежегодно (250 миллионов производим сами). Юго-восточные нефтяные районы республики по-прежнему делают ставку на завозной, а значит, дорогой кирпич. Впрочем, не секрет, что для подрядчиков и, надо полагать, некоторых администраций выгоднее то, что дороже… Говоря о массовом строительстве, я бы поставил вопрос иначе. Мы будем и дальше использовать в жилищном строительстве материалы, разработанные и предназначенные для объектов производственного назначения (силикатный кирпич, тяжелый бетон, сэндвич-панели), или модернизируем наше керамическое производство с целью существенного снижения его себестоимости?

 

Подобные украинские предприятия испытали шок, когда цены на газ начали подниматься. Но это заставило их заняться реконструкцией, и они справились с этой задачей. По всей видимости, в Татарстане это заставит сделать возрастающая местная конкуренция и отвоевывание рынка у Самары и других регионов. В ноябре прошлого года пущен завод Ключищах (60 миллионов кирпичей в год), скоро официально откроют предприятие в Куркачах (150 миллионов), Казанский комбинат стройматериалов полон решимости завершить в мае работы по созданию Кощаковского завода (90 миллионов), на будущий год планируется ввод завода в Тетюшском районе (60 миллионов). .. В этих условиях баловство прекратится. Показатели энергоемкости у новых заводов, конечно, значительно ниже, иначе они будут неконкурентоспособны. И совершенно точно можно сказать: поскольку строительная керамика, в отличие от многих других предприятий строительной индустрии Татарстана, ориентируется на местное сырье, не может быть никаких причин, чтобы уровень рентабельности ее производства был ниже, чем у других предприятий. Более того, современные технологии позволяют делать деньги буквально из воздуха: изменяя атмосферу обжига, мы получаем наиболее востребованные рынком цвета изделий, а значит, и дополнительную прибыль.

 

Для всего этого нужны высокопрофессиональные кадры. Керамика — весьма наукоемкая технология. Покупаемые западные технологические линии требуют очень серьезной инженерной подготовки. Придется перестраивать учебные программы профильных вузов. Ведь будет не очень хорошо, если мы здесь будем что-то делать, данные отправлять куда-нибудь в Мюнхен, а дяди оттуда нас станут направлять. Чтобы появились профессионалы, нужна команда единомышленников. Обычно в вузах в качестве таковой выступает специализированная кафедра. Прошло уже пять лет, как Министерство строительства Татарстана обратилось к руководству КГАСУ с предложением создать специализированную кафедру керамики, однако ее до сих пор нет. Между тем интересные работы по изучению керамических материалов уже сегодня проводятся в КГУ и технологическом университете.

 

Кроме того, более активное применение керамики подразумевает и изменение отношения к качеству строительства. Керамика — сплав технологии и искусства. С возвращением в строительство керамики в него возвращается и эстетика. Естественно, существенно повышаются требования к архитекторам, проектировщикам и рабочим на стройплощадке. А то у нас появилось немало архитекторов, кто в погоне за модными формами не видит и не знает свойств материала. На большинстве казанских строек профессионализм упал катастрофически, что проявится в ближайшее время. А вот на многих стройках Арска или Алексеевска в связи с появлением своего керамического кирпича профессионализм вырос на глазах.

 

Собственно, обо всем этом и идет речь в книге «Керамика для строителей и архитекторов». Я хотел показать керамику как высокую науку, опирающуюся на новейшие достижения физики, математики, химии, геологии. В то же время это новейшие технологии, современная робототехника и системы управления. Одновременно керамика — искусство. Именно сочетание этих факторов и позволяет ей быть и самым древним, и самым современным материалом для человека. Мне довелось изучить работу около сотни керамических заводов Западной Европы, побывать на самых крупных международных выставках, конгрессах. О наиболее интересных предприятиях и материалах я рассказал в специальной главе. Мне хотелось рассказать и о новейших исследованиях, поэтому в книге появились главы, посвященные синергетике и фрактальной структуре. Однако я все время помнил, что каждая формула уменьшает количество читателей в два раза, поэтому их число сведено к минимуму.

 

— 28-29 апреля в Казани пройдет конференция КЕРАМТЕКС-2009, которая до этого пять раз проводилась в Москве и один — в Санкт-Петербурге. Почему в этом году выбрана столица Татарстана?

 

— Думаю, потому, что Казань была и остается городом высокой науки. И сегодня есть все основания полагать, что она станет мощным центром развития строительной керамики.

 

КОММЕНТАРИЙ:

 

Керамический кирпич — является лучшим  строительным материалом по экологическим факторам для человека и врядли будет изобретен другой стеновой материал. За годы своего существования керамика преобразилась и видо-изменилась в размерах, но приоритетным направлением на сегодняшний день является уменьшение теплопотерь и  экономической эффективностью при строительстве жилья.

 

Silicate — обзор | Темы ScienceDirect

3.3 Рабочие характеристики и применение кремнеземных мембран RTP

Сообщалось о применении кремнеземных мембран RTP для разделения и опреснения газов. Это очень недавняя разработка, первый отчет был опубликован в 2013 году. На данный момент, вплоть до начала 2017 года, есть только две статьи, посвященные кремнеземной мембране RTP, посвященные разделению газов, и две другие статьи, посвященные опреснению, как указано в таблице 1. Общая черта этих документов использует более термостойкий прекурсор кремнезема ES40.Обычным результатом является изготовление мембран из диоксида кремния RTP за несколько часов вместо нескольких дней (6–12 дней), как в случае мембран из диоксида кремния CTP.

Таблица 1. Список литературы по кремнеземной мембране RTP

Прекурсор кремнезема	Температура прокаливания. (° C)	Промежуточный слой	Количество слоев	Применение	Год	Ссылки
ES40	600	Да	6	Газ	2013	Wang et al. (2013)
ES40	600	Да	6	Газ	2014	Wang et al. (2014)
ES40	630	Нет	2	Опреснение	2016	Ван, Ван и др. (2016)
ES40	630	Нет	2	Опреснение	2017	Ван, Ван и др. (2017)

Первая кремнеземная мембрана RTP фактически была гибридной RTP.Мембраны действительно подвергались очень быстрому нарастанию> 100 ° C с ^{— 1} , хотя охлаждение происходило в печи при 1 ° C мин. ^{— 1} . Эта первая RTP-мембрана была получена из золь-геля силикагеля оксида кобальта после успешных приемов, использованных для CTP-мембран в виде EtOH: ES40: Co (NO ₃ ) ₂ · 6H ₂ O: H ₂ O молярный соотношение 255: 4: 1: 40, но без пероксидного растворения гидратов нитрата кобальта. Принимая это во внимание, Wang et al.(2014) поняли, что необходимо изменить золь-гель, и добавили избыточное количество кислотного катализатора (HNO ₃ ) к предыдущему золь-гелевому составу. В результате новые мембраны из диоксида кремния RTP могут быть изготовлены в виде чистой мембраны из RTP, где мембраны вводятся непосредственно в печь при 600 ° C с временем выдержки 1 час, а затем непосредственно извлекаются из печи для охлаждения при температуре окружающей среды. комнатные температурные условия.

Мембраны из оксида кобальта и диоксида кремния RTP соответствуют активированному механизму переноса температуры, что указывает на то, что матрица из диоксида кремния образует молекулярные просеивающие структуры.Этот механизм переноса характеризуется положительной энергией активации проницаемости для газов меньшего размера с кинетическими диаметрами ( d _k ) ниже (т.е. He и H ₂ ) и отрицательной энергией активации проницаемости газов с d _k > 3 Å (CO ₂ , N ₂ , CO и т. д.) (Боффа, тен Эльсхоф, Гарсия и Бланк, 2009; Иги и др., 2008; Канезаши и Цуру, 2011; Wang et al., 2014). Это означает, что проницаемость более мелких газов увеличивается с температурой, в то время как более крупные газы уменьшаются, как показано на рис.10. Проницаемость He и H ₂ в диапазоне 10 ^{— 7} моль · м ^{— 2} с ^{— 1} Па ^{— 1} согласуется с большинством результатов, опубликованных для мембран из оксида кремния из CTP. (Miller et al., 2013; Smart et al., 2012; Yacou, Smart, & Diniz da Costa, 2012). Селективность He / N ₂ и H ₂ / CO ₂ , равная 70 и 30 при 450 ° C, относительно сопоставима по сравнению с металлооксидными кремнеземными мембранами CTP, хотя и намного ниже, чем у лучших CTP-мембран из оксида кремния из оксида кобальта, которые достигли очень высокие значения ~ 800 для проницаемости He / N ₂ и H ₂ / CO ₂ при 450 ° C (Yacou et al., 2012). Однако эти лучшие результаты основаны на эволюции мембран из оксида кобальта CTP за почти десятилетие исследований. Тем не менее, другая недавняя разработка CTP мембраны из оксида железа, кобальта и кремнезема обеспечила значения He / N ₂ ~ 100 при 450 ° C. Следовательно, эти новаторские работы по разработке мембран из диоксида кремния RTP обнадеживают и открывают множество потенциальных возможностей для дальнейших улучшений.

Рис. 10. Газопроницаемость как функция температуры для мембраны из оксида кобальта и кремнезема RTP (Wang et al., 2014).

Впоследствии метод RTP был также исследован для подготовки кремнеземных мембран для опреснения. Одной из интересных частей этой работы было приготовление бесслойных мембран из диоксида кремния RTP. Мембрана из диоксида кремния без межслоев является недавней разработкой, о которой также сообщалось для мембран из диоксида кремния CTP, содержащих оксид кобальта (Elma, Wang, Yacou, & Diniz da Costa, 2015; Elma, Wang, Yacou, Motuzas, et al., 2015; Liu et al., 2015; Liu et al. al., 2015a, 2015b, 2015c) или шаблоны, такие как трехблочные полимеры (Elma, Wang, Yacou, & Diniz da Costa, 2015; Elma, Wang, Yacou, Motuzas, et al. , 2015) и гибридный виниловый шаблон (Yang et al., 2017). Первоначально мембраны из диоксида кремния RTP без межслоев были разработаны с использованием золь-гелей ES40 с высокими значениями pH 4 и 6 и протестированы для чистой воды и водных растворов солей (0,3–3,5 мас.%) И температур (25 ° C, 40 ° C и 60 ° C), а мембраны проработали 120 часов, прежде чем потеряли способность производить воду высокой чистоты (Wang, Wang, et al., 2016). В последующей работе Ван, Ван и др. (2017) улучшили золь-гель синтез ES40 для значения pH, равного 1, ниже IEP кремнезема.Новые мембраны из диоксида кремния RTP без промежуточных слоев снова подверглись серии испытаний (при варьировании концентрации соли и температуры), и снова лучшая мембрана (ES40: H ₂ O = 1:20) прослужила 120 часов. При дальнейшем увеличении соотношения до 1:44 Wang, Wang и др. (2017) показали, что срок службы мембран из диоксида кремния RTP без межслоевого покрытия увеличился почти в восемь раз (до 800 ч).

Интересно, что бесслойные мембраны из диоксида кремния RTP оказались успешными только с двумя слоями покрытия. Это обеспечивает значительную экономию при изготовлении, поскольку требуется только два слоя, а промежуточные слои больше не требуются.Кроме того, мембраны можно приготовить всего за 2 часа, если для каждого слоя применяется время выдержки 1 час. На рис. 11A показано изображение, полученное методом сканирующего электронного микроскопа, безслойной кремнеземной мембраны RTP, которое показывает толщину пропитки кремнеземом от ~ 3,3 до ~ 5 мкм (Wang, Wang, et al., 2016). Примечательно, что слой диоксида кремния RTP привел к шероховатости поверхности, а глубокая пропитка золь-гелем заполнила межчастичные пространства подложки из оксида алюминия, хотя несколько пустот среднего (0,03–0,11 мкм) и большого (0,20 мкм) размеров в кремнеземная матрица.Схема на фиг. 11B поясняет, что первое золь-гелевое покрытие из диоксида кремния ES40 проникло в подложку и покрыло частицы оксида алюминия. На рис. 11С показано, что второе покрытие заполнило большую часть пустот, хотя пустоты остаются такими, как показано на рис. 11С (Wang, Wang, et al., 2016). Однако пустоты не были связаны друг с другом, так как отторжение солей достигало высоких значений 99%. Это означает, что диффузия молекул воды через матрицу диоксида кремния RTP контролировалась размером пор, меньшим размера более крупных ионов гидратированной соли Cl ^— -H ₂ O (6.64 Å) и Na ⁺ -H ₂ O (7,16 Å) (Han & Peng, 2016; Volkov, Paula, & Deamer, 1997). Следовательно, гидратированные ионы не могут диффундировать через поры кремнезема малых размеров, поэтому исключение размера пор было механизмом отделения воды от солей.

Рис. 11. (A) SEM-изображение и концептуальная схема бесслойной RTP-мембраны (B) первого и (C) второго этапов нанесения покрытия погружением (Wang, Wang, et al., 2016).

Характеристики мембран из диоксида кремния без прослойки RTP приведены в таблице 2.В целях сравнения в таблице 2 также перечислены мембраны из диоксида кремния CTP и другие неорганические (цеолит, двуокись титана и углерод) мембраны, заявленные для применения в опреснении. Эффективность межслойной мембраны из диоксида кремния RTP сравнима или даже лучше, чем многие результаты, опубликованные для мембран из диоксида кремния CTP, лучше, чем у цеолитовых мембран, и в том же диапазоне характеристик, что и мембраны из диоксида титана. По сравнению с межслойными мембранами недавние разработки карбонизированных мембран CTP с использованием шаблона на основе винила (TEVS) привели к гораздо более высоким потокам воды почти в четыре раза.Кроме того, смешанная мембрана из угольно-глиноземного сплава обеспечивает лучшие потоки воды 10,9 кг · м ^{— 2} ч ^{— 1} . Таким образом, существуют потенциальные возможности для улучшения характеристик мембран из диоксида кремния, не содержащих межслоев, для обессоливания путем использования органических шаблонов с последующей карбонизацией.

Таблица 2. Сравнение характеристик мембран на неорганической основе для опреснения, испытанных при первапорации при концентрации морской воды (NaCl ~ 3,5 мас.%) И комнатной температуре (20-25 ° C)

Тип мембраны	Водный поток (кг м — 2 ч — 1 )	Отклонение (мас. %)	Каталожные номера
Без прослойки Кремнезем RTP (рН раствора 4) Кремнезем RTP (рН раствора 1) Карбонизированный ЦТФ P123 a кремнезем CTP карбонизированный P123-TEVS b кремнезем CTP Оксид кобальта кремнезем	2.3 2,0 2,3 9,5 4,6	~ 99 & gt; 99 & gt; 99 ~ 99 & gt; 99	Ван, Ван и др. (2016) Wang, Wang, et al. (2017) Эльма, Ван, Яку и Динис да Коста (2015) Ян и др. (2017) Эльма, Ван, Якоу, Мотузас и др. (2015)
С промежуточным слоем Упорядоченный кремнезем Чистый кремнезем Карбонизированное поверхностно-активное вещество C16 кремнезем Кобальт оксид кремнезем	2.9 6,8 1,7 0,4	& gt; 99 ~ 98 ~ 97 & gt; 99	Chua et al. (2013) Elma, Yacou, Diniz da Costa, and Wang (2013) Wijaya et al. (2009) Lin, Ding, Smart и Diniz da Costa (2012)
Другие неорганические мембраны Цеолит MFI-ZSM-5 Цеолит MFI-S1 Углеродно-глиноземная смешанная матрица Титания	1,0 2,1 10,9 3,0	~ 99 & gt; 99 & gt; 99 ~ 99	Duke et al.(2009) Drobek et al. (2012) Song et al. (2016) Yacou et al. (2015)

Силикат — обзор | Темы ScienceDirect

3.3.1 Силикатные слои

Силикатные слои показали себя очень привлекательным армированием для нанокомпозитных систем благодаря своей доступности, низкой стоимости, относительно простой технологичности и эффективности. Наиболее широко изученным типом глинистых наполнителей является монтмориллонит (MMT), гидратированная алюмосиликатная слоистая глина, состоящая из октаэдрического листа гидроксида алюминия с общими краями между двумя тетраэдрическими слоями кремнезема [132]. Нанолистовые материалы из глины MMT имеют толщину приблизительно 1 нм и соотношение сторон 10–10 000, а диапазон площади поверхности составляет 750 м ² / г. Их диспергирование приводит к межфазному взаимодействию между наполнителем и полимерным материалом, что усиливает передачу напряжения, упрочняя полимерный композит [133].

Нанокомпозиты биополимер / глина часто способствуют значительному повышению механических и барьерных свойств пленок, что очень привлекательно для применения в упаковке пищевых продуктов.Механические свойства нанокомпозитов сильно зависят от содержания наполнителя и межфазного взаимодействия между полимерной матрицей и диспергированной глиной. Барьер для газа и водяного пара зависит от совместимости глины и матрицы, соотношения сторон пластинок глины и структуры нанокомпозита. Повышение барьерных свойств можно объяснить наличием упорядоченных дисперсных силикатных слоев с большими пропорциями внутри полимерной матрицы, которые заставляют молекулы газов и водяного пара следовать извилистому пути, увеличивая длину пути для диффузии и значительно замедляя их проникновение. темп.

Возможны три типа полимерно-глинистых образований: тактоидные, интеркалированные и расслоенные (рис. 5). Тактоидные структуры образуются из-за низкого сродства глины и полимера. В этом случае полимер не может вставляться между слоями силиката; поэтому полимер и тактоиды глины остаются несмешиваемыми, что приводит к агломерации глины в матрице и плохим макроскопическим свойствам материала. Интеркалированные структуры получают из умеренного сродства полимера к глине.В этом случае межслоевые пространства немного расширяются по мере того, как полимерные цепи проникают через базальное пространство глины, но форма многослойной стопки остается той же. Высокое сродство между полимером и глиной приводит к образованию расслоенных структур. В этих структурах кластеры глины хорошо разделены на отдельные листы в сплошной полимерной фазе [127]. Из-за такого высокого взаимодействия между глиной и полимером расслоенные нанокомпозиты имеют тенденцию проявлять предпочтительные свойства [127, 132]. Создание той или иной структуры зависит от характера компонентов и способа приготовления.

Приготовление композитных пленок со слоистыми силикатами и водорастворимыми биополимерами также можно проводить методом литья в растворитель. По этому методу глина сначала замачивается в растворителе, в котором полимер растворим, чтобы набухать и расслаиваться на отдельные тромбоциты. Биополимер и глина смешивают, а затем растворитель удаляют выпариванием или осаждением. Полимер адсорбируется на ламинированных листах, и после удаления растворителя листы снова собираются, слагая полимер сэндвичем, чтобы сформировать, в лучшем случае, упорядоченную многослойную структуру [134].Основным преимуществом этого метода является то, что интеркалированные нанокомпозитные структуры могут быть получены даже для низкополярных или неполярных полимеров [135].

Прямая интеркаляция расплава также является популярным методом образования нанокомпозитов со слоистыми силикатами. Этот метод включает смешивание глины и полимера в расплавленном состоянии выше температуры размягчения полимера либо статически, либо в условиях высокого сдвига с использованием экструдера, смесителя или ультразвукового устройства. В этих условиях, если поверхности достаточно совместимы с выбранным полимером, полимерные цепи мигрируют в галереи между силикатными слоями и образуют интеркалированный или расслоенный нанокомпозит.Подход интеркаляции в расплаве в основном используется для термопластичных нанокомпозитов полимер / глина, в которых полимерная матрица механически перемешивается с помощью обычных методов при повышенных температурах, таких как экструзия или литье под давлением [134, 135]. Нанокомпозитные пленки TPS-глина с интеркалированной и расслоенной структурой были успешно получены с помощью прямого интеркалирования расплава с экструзией [136, 137].

Альтернативный метод без использования температуры и растворителей — это шаровая мельница.Он состоит из твердофазного перемешивания при температуре окружающей среды, при котором диспергирование глины ускоряется за счет передачи энергии между измельчающими средами (обычно сферами) и смесью полимер / глина, их измельчения и тщательного перемешивания. Mangiacapra et al. Этим методом были получены композитные пленки пектина и ММТ [138]. После эффективного перемешивания компонентов измельченные порошки заливали водой.

Другой подход к приготовлению нанокомпозитов с силикатными слоями включает полимеризацию in situ, подходящую для синтетических биоразлагаемых полимеров, таких как PLA и поликапролактон.По этой методике мономеры мигрируют в галереи слоистых силикатов, так что полимеризация происходит между чередующимися листами.

Силикаты — Chemistry LibreTexts

Вопросы для обсуждения

• Как классифицировать силикаты?
• Что такое асбестозы?

Здесь представлена ​​фотография кварца, одного из многих силикатов. Сам по себе кварц — очень интересный минерал, который используется во многих технологиях, от ювелирных изделий до часов, компьютеров и научных приборов, потому что кварц является важным пьезоэлектрическим материалом.Продуманное применение пьезоэлектрического эффекта заключается в использовании его вибрационного движения для подачи высоковязких чернил в струйной системе «капля по требованию». Пьезоэлектрические материалы также используются в пьезоэлектрических преобразователях, а также были разработаны методы зуммера для применения пьезоэлектрического материала для преобразования энергии статической волны во вращательное движение. Такой пьезоэлектрический двигатель разработан для применения в наручных часах.

Силикаты — самый крупный, самый интересный и сложный класс минералов, чем любые другие минералы.Примерно 30% всех минералов составляют силикаты, и по оценкам некоторых геологов, 90% земной коры состоит из силикатов, материала на основе SiO ₄ ^4-. Таким образом, кислород и кремний — два самых распространенных элемента в земной коре.

Силикаты основаны на основном химическом элементе SiO ₄ ^4- , анионной группе в форме тетраэдра. Центральный ион кремния имеет заряд положительных четырех, в то время как каждый кислород имеет заряд отрицательных двух (-2), и, таким образом, каждая связь кремний-кислород равна половине (½) полной энергии связи кислорода. Это условие оставляет атомам кислорода возможность связываться с другим ионом кремния и, следовательно, связывать один тетраэдр SiO ₄ ^4- с другим.

В крайнем случае тетраэдры расположены правильно, упорядоченно, образуя трехмерную сеть. Кварц является такой структурой (см. Диаграмму), а ее формула — SiO ₂ . Если диоксид кремния в расплавленном состоянии охлаждается очень медленно, он кристаллизуется при температуре замерзания. Но если расплавленный кремнезем охлаждается быстрее, образующееся твердое вещество имеет беспорядочную структуру, которая называется стеклом , часто также называемым кварцем .{4 -} \) звеньев, которые связаны друг с другом атомами кислорода.

Ортосиликаты

Ортосиликаты — это минералы, состоящие только из отдельных частиц SiO ₄ ^4-. Катионы — это некоторые другие металлы. Например, ортосиликатами являются следующие минералы:

Ионы Be и Zn тетраэдрически связаны с кислородом силиката в этих двух минералах: фенаките, Be ₂ SiO ₄ и виллемите, Zn ₂ SiO ₄ . В оливине (Fe, Mg) ₂ SiO ₄ катионами являются либо Fe ²⁺ , либо Mg ²⁺ . Эта формула предполагает, что этот минерал представляет собой смесь силикатов железа и магния. Эти катионы октаэдрически координированы с атомами кислорода силиката. Чистая соль Fe ₂ SiO ₄ называется фаялитом, а Mg ₂ SiO ₄ — форстеритом.

Пиросиликаты

Когда две единицы SiO ₄ ^4- связаны вместе, они образуют группу пиросиликата , Si ₂ O ₇ ^6-.Например, тортвейтит, Sc ₂ Si ₂ O ₇ представляет собой пиросиликат.

Кольцевые и цепные силикаты

Когда два кислородных звена SiO ₄ ^4- делятся с другими звеньями SiO ₄ ^4- , силикаты образуют кольцо или бесконечную цепочку. Стехиометрия силикатов становится (SiO ₃ ) _n ^2n- . Бенитоит BaTi (SiO ₃ ) ₃ содержит три кольца кремнезема, но это релаксированные 6-атомные кольца

      SiO  2 
     / \
    О О
    | |
  O  2  Si SiO  2 
     \ /
       О
 

Драгоценный камень берилл Be ₃ Al ₂ (SiO ₃ ) ₆ содержит кольца из шести кремнеземов.

Рис. 1. Местонахождение бенитоита: месторождение драгоценных камней Далласа (рудник Бенитоит; рудник драгоценных камней Бенитоита; рудник драгоценных камней), район Далласского рудника драгоценных камней, район истоков реки Сан-Бенито, район Нью-Идрия, хребет Диабло, округ Сан-Бенито, Калифорния, США. изображение использовано с разрешения Википедии.

Одноцепочечный кремнезем называется пироксенами . Было показано, что некоторые синтетические метасиликаты Na ₂ (SiO ₃ ) содержат силикаты с простой цепью (SiO ₃ ) _n , в которых связи Si-O типа Si-O-Si составляют 168 нм. , с углами Si-O-Si 137 ^o .Связи Si = O короче, 1,57 нм. Природные пироксены включают энстатит, MgSiO ₃ , диопсид, CaMg (SiO ₃ ) ₂ и жадеит, NaAl (SiO ₃ ) ₂ .

Силикаты с двойной цепью

Силикаты с двойной цепью называются амфиболами , здесь показана часть двойной цепи, такая же, как двойная цепь, показанная в Inorganic Chemistry by Swaddle. Эти цепи имеют стехиометрию (Si ₄ O ₁₁ ) _n ⁶ⁿ .Вы можете легко определить одну такую ​​единицу на схеме. Таким минералом является тремолит, Ca ₂ Mg ₅ (Si ₄ O ₁₁ ) ₂ (OH) ₂ .

Настоящие асбесты, такие как крокидолит или голубой асбест, состоят из силикатов с двойной цепью. Асбестозы были идентифицированы как канцерогены, и с тех пор его применение было ограничено из-за запрета на ограничение его воздействия на население. Большинство промышленных асбестозов — это хризотил, который, как мы увидим ниже, содержит слои силикатного листа.

Силикаты с листовой структурой

Листовые силикаты называются филлосиликатами (филло означает листоподобные). Эти силикаты легко раскалываются (как и графит). Тальк представляет собой типичный листовой силикат, Mg ₃ (OH) ₂ (Si ₂ O ₅ . Тальк является основным ингредиентом мыльного камня (стеатита).

На схеме ниже показано расположение листов брусита, Mg (OH) ₂ , в котором листы состоят из октаэдров Mg (OH) ₆ с общими углами.В хлорите бывает два типа листов. Половина листов такая же, как у брусита, но половина листов брусита зажата между листами силикатов. Тальк состоит только из прослоенных листов.

Диаграмма взята из серии полисомов, в которой обсуждаются листовые силикаты.

Серпентин, Mg ₃ (OH) ₄ Si ₂ O ₅ , имеет изогнутые листы.

Хризотил технический асбест представляет собой листовой силикат, но листы скручены, как трубка.Эти трубки выглядят как волокна, и их обычно называют асбестом.

Силикаты с трехмерным каркасом

Как упоминалось ранее, блоки SiO ₄ ^4- могут разделять каждый кислород с другими блоками, образуя трехмерную сеть, и кварц имеет такую ​​структуру. Здесь показана часть такого каркаса. В этой конфигурации стехиометрия снижается до SiO ₂ , который часто называют кремнеземом . Коллекция мелких кусочков кварца — это песок.

См. Анимированную иллюстрацию кольцевой структуры Боба Хэнсона.

Кварц — группа минералов.

Асбестозы?

Асбест — это название, применяемое к шести природным минералам, которые добываются из земли. Различные виды асбеста:

• Амозит
• Хризотил
• Тремолит
• Актинолит
• Антофиллит
• Крокидолит

Из этих шести чаще всего используются три. Хризотил (белый) является наиболее распространенным, но довольно часто можно встретить . Амозит (коричневый / кремовый) или Крокидолит (синий). Асбест — негорючий волокнистый материал, который используется для изготовления изоляционного материала клемм, тормозных накладок, строительных материалов и фильтров. При смешивании с цементом он усиливает механическую прочность бетона. Он разлагается из-за потери воды и при высокой температуре образует форстерит и кремнезем.

Пример 1

Какова стехиометрия бесконечной цепочки силикатов, если два атома кислорода разделяют с соседними звеньями?

Решение

Можем сначала нарисовать такую ​​цепочку:

  О О О О О О О О  О О  О О
   Si Si Si Si  Si  Si
  / \ / \ / \ / \ /  \ /  \ /
 О О О О О  О  О
 

На этой диаграмме основная единица выделена жирным шрифтом, а стехиометрия, очевидно, представляет собой SiO ₃ .

ОБСУЖДЕНИЕ

Есть ли другой тип цепочки, удовлетворяющий условиям, заданным в вопросе? Если вы работаете с трехмерными моделями, вы, вероятно, понимаете, что это единственный способ построить единую цепочку. Бесконечные цепочки и кольцевые структуры имеют одинаковую стехиометрию.

Вопросы

2. Каков химический состав кварца?

Решения

1. SiO ₄

   Навык —
   Опишите основной элемент силиката SiO ₄ ^4- и его универсальность в соединении друг с другом или друг с другом.

2. SiO ₂

   Навык —
   Определите единицы, используемые для строительства конструкции.

3. Тетраэдры образуют трехмерную сеть, подобную сетке алмаза, но со связями Si-O-Si в местах связей C-C алмаза.

   Skill —
   Эти диаграммы возраста обсуждаются в ходе лекций.

4. Минералы, состоящие из одиночного SiO ₄ ^4- единиц.

   Навык —
   Минералы, состоящие из отдельных единиц Be ²⁺ , называются ортосиликатами.Они образуют соли с двухвалентными катионами Be ²⁺ , Zn ²⁺ , Mg ²⁺ , Fe ²⁺ и т.д., но эти двухвалентные катионы прочно связаны с кислородом звеньев Be ²⁺ .

5. Пиросиликаты
6. Тетраэдры образуют трехмерную сеть, подобную сетке алмаза, но со связями Si-O-Si в местах связей C-C алмаза.

   Skill —
   Эти диаграммы возраста обсуждаются в ходе лекций.

Авторы и указание авторства

Силикатные структуры, несоцикло- и соросиликаты

Соросиликаты

Соросиликаты представляют собой двойные островные силикаты. Только Такую структуру имеет одна важная группа минералов — группа эпидота.

эпидот, клиноцоизит, цоизит

Важными минералами в группе эпидота являются эпидот, клиноцоизит и цоизит. Поскольку соросиликаты основаны на Si ₂ O ₇ ^{-6 группа} , структурная формула можно записать как:

Ca ₂ (Al, Fe ⁺³ ) Al ₂ O (SiO ₄ ) (Si ₂ O ₇ ) (OH)

Таким образом, группа эпидота содержит как двойные тетраэдры и одиночный тетраэдр, разделенные группами AlO ₆ октаэдры и Са в 9-10-кратной координации с Кислородом или ОН.

The формулу можно переписать как:

Ca ₂ (Al, Fe ⁺³ ) Al ₂ Si ₃ O ₁₂ (OH)

Эпидот — это богатый железом сорт, имеющий вышеуказанную общую формулу. Клиноцоизит — разновидность, не содержащая железа. с химической формулой:

Ca ₂ Al ₃ Si ₃ O ₁₂ (OH)

И клиноцоизит, и эпидот моноклинны. (2 / м).Цоизит имеет ту же химическую формулу, что и клиноцоизит, но ромбический.

Эпидот обычно фисташковый в цвет с идеальным спайностью {001} и несовершенным спайом {100}. Это оптически отрицательный с 2V от 64 до 90 ^или . Обычно это показывает плеохроизм с α — от бесцветного до бледного желтый, β — зеленовато-желтый, γ — желтовато-зеленый, с высоким рельефом относительно полевых шпатов и кварц. Его двулучепреломление достаточно велико, чтобы показать порядок 3 ^rd цвета интерференции.Обычно он показывает аномальное синее вымирание.

клиноцоизит рельеф и расщепление аналогичны эпидоту, но оптически отрицательны с 2V от 14 до 90 ^o , плеохроизма отсутствует, двойное лучепреломление ниже (От 1 до 2 ^и заказать интерференционные цвета). Цоизит — это похож на клиноцоизит, за исключением того, что он покажет параллельное вымирание относительно к граням, параллельным кристаллографическим осям.

Эпидот является обычным минералом в низкосортных метаморфических породах, особенно метаморфизованные вулканические породы и метасланцы с высоким содержанием железа и алюминия.Оба Клиноцоизит и эпидот встречаются как продукты гидротермальных изменений. плагиоклаз и жилы в гранитных породах.

Прямое электролитическое растворение силикатных минералов для уменьшения выбросов CO2 в воздухе и образования углерод-отрицательного h3

Реферат

Мы экспериментально демонстрируем прямую связь растворения силикатных минералов с электролизом соленой воды и производством H ₂ для значительного воздействия на CO _{2 в воздухе Поглощение} , химическое преобразование и хранение в растворе.В частности, мы наблюдали увеличение концентрации OH ^— в 10 ⁵ раз (увеличение pH до 5,3 единиц) по сравнению с экспериментальным контролем после электролиза 0,25 М растворов Na ₂ SO ₄ когда анод был заключен в порошкообразный силикатный минерал, волластонит или ультраосновной минерал. После электролиза полное уравновешивание подщелачиваемого раствора воздухом привело к значительному снижению pH и увеличению концентрации растворенного неорганического углерода в 45 раз.Это продемонстрировало значительное самопроизвольное улавливание, химическое преобразование и хранение CO ₂ в воздухе в виде бикарбоната, преимущественно в виде NaHCO ₃ . Избыток OH ^— , первоначально образовавшийся в этих экспериментах, по-видимому, был результатом нейтрализации анолитной кислоты, H ₂ SO ₄ , в результате реакции с силикатом основного минерала на аноде с образованием сульфата минерала и кремнезема. Это позволило NaOH, обычно образующемуся на катоде, не нейтрализоваться и накапливаться в объеме электролита, в конечном итоге вступая в реакцию с атмосферным CO ₂ с образованием растворенного бикарбоната.Использование неядерных или непиковых возобновляемых источников электроэнергии, оптимизированные системы в крупных масштабах могут обеспечить относительно высокую мощность, энергоэффективность (<300 кДж / моль захваченного CO ₂ ) и недорогую (<100 долларов США за тонну CO ₂ уменьшенного) удаление излишков воздуха CO ₂ с получением углеродотрицательного H ₂ . Кроме того, при добавлении в океан полученные гидроксид и / или (би) карбонат могут быть полезны для сокращения выбросов CO ₂ в атмосферу, а также для нейтрализации или компенсации последствий продолжающегося подкисления океана.

Обилие силикатных минералов и их способность реагировать с CO ₂ с образованием стабильных карбонатов и бикарбонатов делает их актуальными для усилий по смягчению воздействия CO ₂ (например, ссылки 1–4). Глобальная способность этих реакций к умеренному атмосферному CO ₂ очевидна в центральной роли, которую выветривание силикатных минералов играет в естественном потреблении избыточного атмосферного CO ₂ в геологических временных масштабах (5). Действительно, были предложены различные методы для ускорения смягчения этого природного геохимического атмосферного CO ₂ (6⇓⇓ – 9).

Хотя выветривание силикатов в условиях окружающей среды происходит чрезвычайно медленно, растворение силикатных минералов и последующая реакция с CO ₂ может быть значительно увеличена в сильных кислотах и ​​/ или основаниях (ссылка 10 и ссылки в нем). Поскольку в электролизерах с соленой водой образуются очень большие градиенты pH [pH анолита <2, pH католита> 12 (11)], было рассмотрено, что размещение силикатной минеральной массы в прямом контакте с такими растворами будет способствовать их растворению до металла и силиката. ионы.После образования положительно заряженные ионы металла могут мигрировать в отрицательно заряженный католит с образованием гидроксида металла, тогда как отрицательно заряженные ионы силиката будут реагировать с анолитом, обогащенным H ⁺ , с образованием кремниевой кислоты, кремнезема и / или других соединений кремния. (Рис.1 A ).

Рис. 1.

Схемы для увеличения производства гидроксида и последующего улавливания воздуха CO ₂ и хранения в электролизере с соленой водой в присутствии силикатного минерала металла.( A ) Силикат металла расщепляется, причем двухвалентный минеральный металл (M _m ) образует гидроксид. Расходуется только силикатный минерал и вода. ( B ) И силикат металла, и электролит соли металла постоянно разделены, причем одновалентная соль металла (M _s ) образует гидроксид, а анионы M _m и электролита образуют стабильную соль металла (M _m Y). Здесь расходуются силикатный минерал, соль электролита и вода.

Альтернативно или дополнительно, силикат металла может реагировать и нейтрализовать промежуточную кислоту, обычно образующуюся в анолите солевой электролизной ячейки, тем самым позволяя промежуточному гидроксиду (полученному на катоде в результате разделения соли и воды) не нейтрализоваться и накапливаться в объемный электролит (рис.1 В ). В любом случае контактирование полученного раствора гидроксида с CO ₂ приведет к улавливанию и хранению CO ₂ в виде бикарбоната или карбоната металла (рис. 1).

Ранее было предложено, чтобы растворение силикатных минералов было косвенно связано с электролитическим процессом типа хлористо-щелочного металла, чтобы обеспечить улавливание и хранение CO ₂ в воздухе (7). Здесь расщепление NaCl и H ₂ O даст NaOH _(вод.) , Cl _{2 (г)} и H _{2 (г )} (водный, водный; г, газообразный).NaOH будет контактировать с воздухом для улавливания и преобразования окружающего CO ₂ : NaOH + CO ₂ → NaHCO _{3 (водн.)} , тогда как H ₂ и Cl ₂ будут экзотермически реагировать в топливе. ячейка для производства электричества и HCl. Последний затем будет нейтрализован посредством спонтанной реакции с силикатными минералами с образованием хлоридов металлов, которые вместе с NaHCO _{3 (водн.)} , предположительно, могут безопасно храниться в океане.

Впоследствии было продемонстрировано (12), что значительно повышенные концентрации pH и гидроксида (по сравнению с контрольными) могут быть достигнуты в объемном электролите во время электролиза морской воды (естественно содержащей 0.48 M NaCl), когда анод заключен в пористый карбонатный минерал (CaCO ₃ ) масс. Затем уравновешивание электролита воздухом нейтрализует pH за счет реакции воздуха CO ₂ с избытком гидроксида с образованием растворенных бикарбонатов. Эта схема позволяла принимать непосредственное участие минерального карбоната в электролизе соленой воды и образовании гидроксида без необходимости отдельного производства кислоты для топливных элементов. Именно эту базовую схему мы стремились протестировать в контексте ускорения растворения силикатных минералов и улавливания воздуха CO ₂ в качестве дополнения к традиционному электролизу солевой воды.Подробности проведенных экспериментов описаны в Материалы и методы .

Такие подходы потенциально могут быть более энергоэффективными и менее опасными для окружающей среды, чем более широко обсуждаемые химические методы улавливания и концентрации CO ₂ (например, ссылки 13⇓⇓⇓⇓ – 18). Это потому, что они избегают: ( i ) энергоэффективной регенерации основы / сорбента и производства высококонцентрированного молекулярного CO ₂ и ( ii ) необходимости гарантировать долгосрочное связывание последнего летучего соединения. Методы рентабельного производства и использования гидроксидов в прямоточных схемах также позволяют использовать массивный контакт с воздухом, предлагаемый естественными водоемами (например, океаном, в отличие от дорогостоящих инженерных воздушных контакторов), для воздействия на воздух CO ₂ абсорбция и химическое преобразование в экологически полезные морские (би) карбонаты в растворе в глобальном масштабе (7, 12, 19, 20). Возможно, более важно то, что стратегическое добавление химической основы к поверхности океана в местах, когда / где концентрация растворенного CO ₂ превышает концентрацию в вышележащей атмосфере [e.g., области апвеллинга (21)] потребляли бы часть избыточного растворенного CO ₂ и, таким образом, избегали бы его дегазации в атмосферу. Это затем снизит некоторые из> 300 гигатонн (Гт) валовых выбросов CO ₂ в год в океане (22) и, следовательно, пропорционально снизит нагрузку на атмосферу CO ₂ без необходимости выполнять более сложную задачу: непосредственное удаление CO ₂ из воздуха. Кроме того, удаление избыточного CO ₂ в океане требуется для любой эффективной схемы улавливания CO ₂ в воздухе, потому что удаление только CO ₂ из воздуха просто снизит концентрацию CO ₂ в воздухе по сравнению с концентрацией в океане.Это приводит к увеличению потока CO ₂ из океана в воздух, в значительной степени заменяя удаленный CO ₂ в воздухе (23). Таким образом, схемы, которые потребляют / удаляют и улавливают избыток CO ₂ в океане (например, ссылки 24, 25), эффективно устраняют как избыток CO ₂ в океане, так и CO ₂ в воздухе, избегая необходимости прямого улавливания CO ₂ в воздухе.

Результаты и обсуждение

Экспериментальные процедуры обсуждаются в Материалах и методах , а результаты представлены в Таблице 1.По сравнению с несиликатными контролями, резкое увеличение pH раствора наблюдалось в конце электролиза растворов 0,25 M Na ₂ SO ₄ , когда силикатные минералы присутствовали в анолите, при этом pH достигал 11,1 в ультраосновных породах ( УМ-4) после 1,5 ч электролиза. Это представляло увеличение [OH ^—] на 3 мМ по сравнению с контрольным раствором, <0,02 мМ. Ночная аэрация растворов [то есть полное уравновешивание воздуха и раствора (материалы и методы , )] привела к значительно более низкому и стабильному pH раствора, достигающему 1.Увеличение концентрации общего растворенного неорганического углерода (DIC) на 6 мМ. Такая нейтрализация основания и увеличение DIC предположительно происходили через CO _{2 (воздух)} + OH ^— → HCO ₃ ^— , реакция, которая доминировала бы при наблюдаемых значениях pH.

Таблица 1.

Соответствующие химические и электрические измерения до, во время и после электролиза, а также после аэрации электролита

Неожиданно, концентрации раствора Ca ²⁺ и Mg ²⁺ при минеральных обработках не были постоянно повышены по сравнению с контролем. , и эти концентрации могут составлять только <16% от того, что требуется для балансировки произведенного HCO ₃ ^— (Таблица 1). Мы подозреваем, что переменное выщелачивание Ca ²⁺ и Mg ²⁺ из бумажных фильтров, используемых в экспериментах, могло способствовать наблюдаемым концентрациям и изменчивости. В любом случае, нехватка этих катионов по сравнению с производимыми гидроксидом и бикарбонатом (таблица 1) предполагает, что основная масса этих анионов вместо этого уравновешивается первичным катионом электролита Na ⁺ . Отсутствие видимого осаждения на обнаженном катоде и в электролите во всех экспериментах является дополнительным доказательством того, что более растворимый NaHCO ₃ , а не относительно нерастворимые (би) карбонаты кальция или магния, преобладали в произведенном ДИК.

Предыдущий сценарий имел бы место, если бы H ₂ SO ₄ , образующийся на аноде, и обычно нейтрализатор катодно генерируемого NaOH вместо этого вступил в реакцию с силикатной минеральной массой, что позволило бы NaOH накапливаться в объеме электролита ( например, Рис. 1 B ). Реакция минерального силиката / серной кислоты приведет к образованию сульфата металла и гидратированного кремнезема; например, MgSiO ₃ + H ₂ SO ₄ → MgSO ₄ + H ₂ SiO ₃ .В качестве альтернативы, сильнокислый анолит может способствовать изменению силикатной минеральной массы, поскольку H ₃ O ⁺ обменивается на катионы металлов минерала, оставляя после себя богатый кремнеземом слой, подобный аморфному твердому кремнезему SiO _{2 (s)} (26). Затем осаждение сульфата металла удаляет ионы Ca / Mg из раствора. Скорость реакции в этом сценарии, вероятно, будет определяться диффузией и кинетикой ионного обмена H ₃ O ⁺ / металл для быстро реагирующих цепных силикатов, изучаемых здесь (например,г., исх. 26, 27).

В любом случае, образование кремнезема, SiO _{2 (s)} , считается конечной судьбой исходного минерального силикатного фрагмента. Если кремнезем и / или сульфаты осаждаются на аноде или вокруг него, это может потенциально снизить проводимость и со временем ослабить ток в ячейке; однако этого не наблюдалось в сроки проведенных экспериментов.

Таким образом, из имеющихся данных можно сделать вывод о следующей первичной сетевой реакции для экспериментов UM-4:

Для экспериментов с волластонитом:

В _DC означает напряжение постоянного тока.Хотя детали задействованных реакций еще предстоит выяснить, была продемонстрирована способность значительно усилить поглощение CO ₂ атмосферным солевым раствором за счет стратегического добавления силикатных минералов и применения электричества постоянного тока.

Одно из следствий предыдущих наблюдений состоит в том, что глобально обильные и относительно недорогие силикатные минералы и соленая вода (морская вода, а также природные или искусственные рассолы) могут подвергаться реакции с использованием несридных и / или непиковых возобновляемых источников энергии для спонтанного захвата воздуха CO ₂ и его длительное хранение в виде бикарбоната или, возможно, карбоната (рис.2). Когенерация ценных углеродно-отрицательных H ₂ и O ₂ или Cl ₂ может помочь компенсировать затраты или может позволить некоторое восстановление энергии, например, посредством преобразования топливных элементов в электричество с производством пресной воды или кислоты. Хотя очевидно, что необходимы дальнейшие исследования, в следующих разделах рассматривается возможность проведения такого процесса в глобально значимых масштабах.

Рис. 2.

Схема входов и выходов электролиза соленой воды в присутствии силикатных минералов для образования водорода и кислорода или хлора и для получения гидроксида для чистого удаления CO ₂ и хранения в виде (би) карбоната.Пунктирная линия обозначает возможность предотвращения удаления соли из электролита путем образования и сбора нерастворимых карбонатов, атомы металлов которых происходят из силикатного минерала (рис. 1 A ). Это позволит рециркулировать нехлоридную соль / электролит. В _DC , постоянное напряжение.

Проблемы для крупномасштабного приложения.

Термодинамика и затраты энергии.

В случае экспериментов UM-4 теоретические минимальные затраты энергии, необходимые для реакции 1, составляют 137 кДж / моль CO ₂ (∆G ^o , свободная энергия Гиббса при концентрации 1 M при стандартной температуре и давление).Схема реакции для волластонита (реакция 2) имеет ∆G ^o 110 кДж / моль CO ₂ . Эти минимальные энергии сопоставимы с ∆G ^o , равным 237 кДж / моль H ₂ или 118,5 кДж / моль образовавшегося OH ^— (т. Е. 118,5 кДж / моль CO ₂ , потенциально вступившего в реакцию с OH ^— ) в католите при обычном электролизе воды. Фактические затраты энергии, наблюдаемые в наших экспериментах, варьировались от 426 до 481 кДж электроэнергии (кДж _e ) / моль CO ₂ , что подразумевает энергоэффективность от 23% до 32% (Таблица 2).

Таблица 2.

Энергия, затраченная на моль CO ₂ , захваченная и сохраненная в экспериментах

Поскольку химическая работа обычно может выполняться в промышленных системах электролиза с КПД ≥50% (28, 29), потенциальные реализованные затраты на энергию электролиза будет <274 кДж _e / моль CO ₂ (Таблица 2). В поддержку этих оценок реализованные затраты на электроэнергию в промышленных электролизерах с щелочной водой составляют примерно 385–500 кДж _e / моль H ₂ (28) или 190–250 кДж _e / моль OH ^— , генерируемых внутри компании. (или 190–250 кДж _e / моль CO ₂ потенциально потребляемого).

Хотя мы не рассматривали детально проект всей системы, мы можем оценить дополнительные потребности в энергии для основных компонентов. Добавление к этим системам непассивного контакта с воздухом может увеличить потребность в энергии примерно на 30 кДж / моль CO ₂ (16). Дальнейшая перекачка / перекачка вспомогательных жидкостей, газов и твердых веществ может добавить дополнительные 30 кДж / моль CO ₂ , в результате чего общие затраты энергии составят <334 кДж / моль захваченного и сохраненного CO ₂ . Эта оценка ниже, чем у ранее описанных систем улавливания воздуха на основе реакции NaOH / Ca (OH) ₂ с воздухом CO ₂ (14, 16, 17) (Таблица 2), в первую очередь из-за энергоемкости, низкой -эффективность термической регенерации NaOH / Ca (OH) ₂ и концентрации молекулярного CO ₂ исключены.

Чтобы максимизировать преимущества снижения выбросов CO ₂ , электричество для электрохимического процесса должно поступать из нефоссильных источников (рис. 2). Их много во всем мире, и в некоторых случаях поставляемая электроэнергия может быть дешевле, чем обычная электросеть, если ( i ) она производится и используется на местном уровне, что снижает затраты на передачу энергии, и / или ( ii ) в непиковые периоды. , используется возобновляемая электрическая сеть (30). Предполагая, что удельная мощность извлекаемой энергии ветра равна 10.8 терраджоулей электроэнергии км ⁻² y ⁻¹ (30) тогда подразумевает потребность в площади суши или океана <7 × 10 ⁵ км ² ⋅Gt ⁻¹ CO ₂ захваченных в год только для сбора энергии, или, самое большее, около 0,13% поверхности земли для удаления 1 Гт CO ₂ в год. Этот след был бы уменьшен, если бы использовались источники энергии с более высокой плотностью (например, геотермальная, солнечная, ядерная).

Кроме того, вместо развертывания нового производства неископаемой энергии для этого предлагаемого производства водорода с отрицательным углеродным выбросом можно было бы получить более рентабельную выгоду от выбросов углерода, просто подключив эту энергию к сети, тем самым заменив использование ископаемой энергии и выбросы CO ₂ ? Предполагая, что 300 кДж _e требуется на моль CO ₂ уловленных и сохраненных (или 0.147 г CO _{2 (}) удаляется на 1 кДж ( _e ), это можно сравнить со средним показателем 0,155 г CO ₂ , выделяемым на _e кДж, произведенных при производстве электроэнергии в Соединенных Штатах (31). Согласно этому расчету, простое добавление возобновляемой энергии в сеть будет иметь небольшое преимущество перед силикатным электролизом в отношении управления углеродом. Гораздо большее преимущество было бы получено, если бы возобновляемая электроэнергия была специально заменена более углеродоемким производством электроэнергии с использованием угля.Однако в этих расчетах игнорируются дополнительные преимущества силикатного электролиза, которые включают: ( i ) производство и использование углеродно-отрицательного H ₂ для потенциальной компенсации использования бензина и выбросов (см. Ниже) и ( ii ) щелочность океана. производства, помогая нейтрализовать или компенсировать последствия закисления океана.

Силикатные минералы.

Многие обычные силикатные породы имеют соответствующий состав для обеспечения щелочности, необходимой для преобразования CO ₂ в (би) карбонат.Данная масса базальта может преобразовать около одной трети своего веса CO ₂ в бикарбонат, основываясь на реакционных равновесиях для типичных базальтовых композиций и с учетом образования соответствующих фаз изменения глины (7). Базальты также являются наиболее распространенным типом горных пород в земной коре, с их глобальной массой, которая затмевается, что необходимо для преобразования всего нынешнего и будущего антропогенного CO ₂ . Например, масса базальтов реки Колумбия только в Соединенных Штатах оценивается в более чем 500 миллионов Гт (32), или в 10 ⁴ раз больше, чем необходимо для устранения возможных общих кумулятивных антропогенных выбросов в 20 000 Гт CO ₂ .Если бы базальты можно было использовать для этого процесса, они обеспечили бы практически неограниченные запасы как с точки зрения общей массы, так и с точки зрения географической доступности (33).

Менее щелочные магматические породы, такие как андезиты и граниты, также широко распространены и могут легко обеспечить необходимую щелочность для нейтрализации кислоты / CO ₂ . Кроме того, можно использовать многие незрелые обломочные породы, такие как грейвакки и аркозы. Более высокая реакционная способность горных пород может быть реализована путем выбора более стеклянных вулканических пород в качестве исходного материала, поскольку известно, что они растворяются намного быстрее, чем их кристаллические эквиваленты (27).Использование щелочноземельных алюмосиликатных минералов, вероятно, будет менее выгодным, поскольку их скорости растворения на несколько порядков ниже, чем у минералов, использованных в вышеупомянутых экспериментах. Здесь обмен H ₃ O ⁺ на Na, Ca или Mg в алюмосиликатах в конечном итоге будет ограничен гораздо более медленным разрывом каркасных силикатных связей на границе минерал – раствор (например, ссылки 34⇓ – 36 ).

Что касается штрафов за энергию и углерод за добычу, измельчение и транспортировку минералов, несколько исследований (2, 9, 37) показывают, что в зависимости от обстоятельств эти затраты будут небольшими по сравнению с другими расходами на энергию системы (например,g., электролиз) и относительно потенциала удаления CO ₂ системы. Это основано на предположении, что измельчение силикатных минералов до чрезвычайно мелких частиц (например, 1 мкм) не потребуется для процесса (9). Значительные количества ранее существовавших частиц силикатных минералов и фрагментов также доступны за небольшую плату или бесплатно в определенных местах (2). Наиболее рентабельные источники / типы силикатных минералов, размеры частиц и расположение для предлагаемого процесса еще предстоит определить.

Электролиты и образование хлора.

Природные хлоридные растворы, такие как морская вода, внутренние рассолы и подземные соленые грунтовые воды, представляют собой наиболее распространенные и, следовательно, самые дешевые электролиты, но Cl ₂ , а не O ₂ , обычно образуется при электролизе такие решения. В случае небезопасного потребления или использования крупномасштабный выброс Cl ₂ может создать серьезные экологические риски. Избежать таких выбросов можно за счет следующего: ( i ) использование кислород-селективных анодов (11), ( ii ) использование электродов с высокой или низкой плотностью тока (11), ( iii ) ) использование ионоселективных мембран для исключения попадания хлорид-иона в анолит, ( iv ) отвод H ₂ , образующегося на катоде, на газодиффузионный анод, или ( v ) использование менее распространенных нехлоридных солей как в описанных здесь экспериментах.Предотвращение частичного или полного выделения газа снизило бы общую требуемую электрическую энергию, но при этом лишилось бы выгод / доходов от добычи газа.

Другие проблемы, связанные с использованием природных хлоридных растворов, включают возможное образование вредных галогенированных органических соединений, а также осаждение неорганических соединений и загрязнение электродов, особенно катода (7). Чтобы избежать этих проблем, более чистые искусственные хлоридные электролиты могут быть сформированы из коммерческих минералов или испаряющегося NaCl (7), при условии наличия экономичного источника воды.Кратковременное изменение полярности электродов может быть полезным для удаления накипи / отложений на электродах, и / или может потребоваться периодическая физическая очистка электродов.

За исключением обилия недорогих источников, использование нехлоридных электролитов, по-видимому, диктует необходимость их сохранения и вторичного использования, а не одноразового использования. Одним из способов достижения этого является осаждение и сбор захваченного углерода в виде твердого карбоната, металлическая составляющая которого получена из минерального силиката (рис.1 A ), а не из катионов электролита (рис. 1 B ). Это позволит избежать потерь электролита при однократном удалении растворенного бикарбоната, но также потребует подпитки водой. Это также снизит эффективность улавливания и хранения углерода в системе: только 1 моль углерода может храниться (в виде карбоната) на моль катионов металлов по сравнению с 2 молями углерода на моль катионов металлов, если образуются бикарбонаты металлов. Способность осаждать карбонаты металлов, металл которых происходит из минеральных силикатов, хотя теоретически возможна (рис.1 A ), еще предстоит продемонстрировать.

Контакт с воздухом.

Хотя абсорбция CO ₂ производимым гидроксидом может происходить внутри электролизной ячейки, для увеличения эффективности и емкости контакта с воздухом обогащенный гидроксидом раствор с большей вероятностью будет периодически или непрерывно удаляться из ячейки и использоваться с воздухом. контактные устройства (например, ссылки 14, 16, 17). Это может включать добавление раствора в большие водоемы, контактирующие с воздухом, океаном (70% поверхности Земли: 3.61 × 10 ⁸ км ² , исключая шероховатость поверхности), являющийся окончательным примером пассивного поглотителя CO ₂ планетарного масштаба (7, 12, 19, 20). Было бы необходимо добавить гидроксид в океан в достаточно разбавленной форме, чтобы избежать потенциальных негативных воздействий на окружающую среду, включая поддержание pH ниже того, что может отрицательно повлиять на биоту, и ниже уровней, вызывающих абиотическое осаждение компонентов морской воды, таких как CaCO ₃ и Магний (ОН) ₂ .С другой стороны, если это безопасно, такое добавление щелочности может быть полезно для противодействия закислению океана и его биотическим эффектам (7, 12). Кроме того, как обсуждалось во Введении, добавление гидроксида в большие районы поверхности океана, где концентрация CO ₂ в морской воде выше, чем в вышележащем воздухе, поможет снизить выбросы CO ₂ в атмосферу за счет сокращения естественных выбросов CO ₂ в океане. , и, таким образом, устраняется необходимость и сложность прямого улавливания CO ₂ из воздуха.

Судьба кремния и других компонентов.

Если образование твердого кремнезема в анолите является конечной судьбой минерального силикатного фрагмента (см. Выше), в крупномасштабных применениях необходимо рассмотреть способы удаления и хранения или использования кремнезема. Накопление кремнезема непосредственно на аноде может поставить под угрозу его функционирование и потребует периодической смены полярности электрода и / или других методов очистки. Если растворимый диоксид кремния остается в растворе, он будет сопровождать удаление растворенного гидроксида или бикарбоната металла, образующегося в элементе.Если бы этот раствор был добавлен в океан, это потенциальное добавление растворимого кремнезема могло бы увеличить рост морского фитопланктона и дополнительное потребление CO ₂ воздухом в регионах, где кремний является ограничивающим питательным веществом (9, 38). Биотические эффекты (положительные или отрицательные) также могут возникать при добавлении растворимых металлов (например, Fe, Cr, Mn), которые присутствуют в небольших количествах во многих минеральных силикатах и ​​чье локальное содержание в морской воде может существенно влиять на морскую биогеохимию (39). Точно так же судьба, влияние или использование любых солей металлов, образующихся в результате электролиза, например сульфатов или хлоридов Mg или Ca, необходимо будет учитывать в крупномасштабных применениях.

Размещение.

Чтобы минимизировать затраты, крупномасштабный захват воздуха лучше всего размещать там, где минимизированы капитальные затраты, энергия и затраты на доставку реагентов (7, 13). Например, системы, использующие морскую воду в качестве электролита, будут оптимально размещены на побережье, где электричество, получаемое от солнца, ветра или океана, также будет локально доступным и где силикатные минеральные ресурсы и рынки H ₂ находятся в непосредственной близости. Фактически, электролиз может проводиться непосредственно в резервуарах с рассолом или морской водой или в океане, где электроды и силикат могут проникать через поверхность воды со стационарных или мобильных платформ (например.g., модифицированные или специально разработанные суда). Это исключит необходимость и расходы на перекачку морской воды в электрохимические установки на суше, но также потребует морской инфраструктуры, технического обслуживания и пополнения запасов. Электрохимическое растворение минерального силиката может затем происходить на месте, создавая щелочность гидроксида и потенциал абсорбции CO ₂ непосредственно в водоем. Однако, как упоминалось ранее, последствия или предотвращение (или использование) различных побочных реакций и побочных продуктов, образующихся во время электролиза морской воды (например,g., Cl ₂ , хлорированные органические соединения) необходимо внимательно рассмотреть (7).

На внутренних участках для процесса могут использоваться сточные воды, грунтовые воды или естественный или искусственный рассол соответствующей солености, при этом надземные или подземные резервуары служат площадкой для хранения раствора, прореагировавшего с CO ₂ . В качестве альтернативы, как упоминалось выше, можно осаждать, собирать и хранить углерод в виде твердого карбоната, металлический компонент которого получен из силикатного минерала (рис.1 А ). Это потенциально может позволить рециркулировать солевой электролит (с пополнением воды), а не потреблять или выбрасывать, что позволяет использовать менее распространенные и более дорогие нехлоридные соли в качестве электролитов (рис. 2).

Потенциальная экономика.

Отсутствие демонстрации оптимизированной системы в масштабе препятствует точной оценке затрат и доходов. Тем не менее, следующее может быть иллюстративным.

Если принять общую потребность в энергии 300 кДж _e / моль CO ₂ (см. Выше), это будет равно 1.9 мегаватт-часов электроэнергии ( _e МВтч) на метрическую тонну (т) захваченного CO ₂ . Предполагая, что стоимость электроэнергии составляет 60 долларов США / МВтч _e [например, несубсидированная ветровая электроэнергия (30)], стоимость электроэнергии для системы составит 1,9 × 60 долларов США = 114 долларов США за тонну потребленного CO ₂ . По имеющимся данным, капитальные затраты на усовершенствованный щелочной электролизер составляют 600 долларов США за тонну произведенной H ₂ (29, 40). Предполагая аналогичные капитальные затраты на представленный здесь электролизер, получаем эквивалентные капитальные затраты на CO ₂ в размере 600 долларов США на 1 т H ₂ произведенных на 44 т CO ₂ уловленных = 14 долларов США / т уловленных CO ₂ уловленных. .Затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание неэлектрических и неминеральных элементов предполагаются равными 3% от капитальных затрат (29) или 0,42 доллара США за тонну CO ₂ захваченного.

Предполагается, что около 1,2 т измельченного силикатного минерала будет израсходовано на тонну CO. ₂ уловлено и преобразовано в бикарбонат (реакции 1 и 2, с учетом молекулярной массы) по цене 20 долларов США за тонну извлеченного, измельченного и поставленный силикат (2, 41) добавляет 24 доллара США за тонну захваченного CO ₂ . Всего на тонну улавливаемого CO ₂ расходуется 0,4 т воды при предполагаемой стоимости 2 доллара за тонну CO ₂ , которая включает стоимость закачки (при необходимости; см. Вариант на месте выше).Использование естественного рассола предполагается как для электролита, так и для источника воды, предполагая, что выбросы Cl ₂ и другие проблемы могут быть безопасно решены (см. Выше). Предполагается, что пассивное контактирование гидроксида с воздухом / раствором после помещения его в океан или другой большой резервуар стоит 0 долларов. Общая валовая стоимость такой системы составляет 114 + 14 + 0,42 + 24 + 2 доллара ≈ 154 доллара за тонну CO ₂ захваченных.

Если предположить, что рыночная стоимость произведенного H ₂ составляет 1500 долларов за тонну H ₂ (29), тогда выручка составит 1500 долларов × 1/44 = 34 доллара за тонну потребленного CO ₂ .Это снижает затраты на улавливание CO ₂ до 154–34 долларов = 120 долларов за тонну улавливаемого CO ₂ . Другие потенциальные компенсации затрат (не оцениваемые здесь в денежном выражении) могут включать следующее: ( a ) хранение и рекуперация энергии, включая выравнивание нагрузки и сокращение пиков за счет хранения / окисления H ₂ , особенно в контексте производства электроэнергии, зависящей от времени. из возобновляемых источников, таких как солнце и ветер; ( b ) последующее производство пресной воды путем окисления H ₂ ; ( c ) стоимость O ₂ или других произведенных газов; и ( d ) уменьшение кислотности океана путем добавления щелочности (e.g., местное или региональное сохранение или улучшение экономически важных морских моллюсков) (12, 42–44).

Если 9 т CO ₂ избегается на тонну H ₂ произведено [посредством этого углеродно-отрицательного электролиза по сравнению с углеродно-положительным риформингом природного газа (29)], и если 44 т CO ₂ являются улавливается из воздуха на тонну произведенной H ₂ (Рис. 1, с учетом мольной массы), всего 9 + 44 = 53 т CO ₂ затем снижается на тонну произведенной H ₂ , или 53 т × 1/44 = 1.2 т CO ₂ уменьшено на тонну CO ₂ захвачено. Это возрастает до 1,4 т CO ₂ на тонну уловленного CO ₂ , если произведенный H ₂ используется вместо обычного бензина. Чистые затраты на тонну сокращенного CO ₂ составляют 120 долларов / 1,4 = 86 долларов за тонну сокращенного CO ₂ . Дополнительное смягчение воздействия CO ₂ произойдет, если растворимый кремний и / или следы металлов, возможно, полученные из электролизованного раствора, будут добавлены в океан для последующего стимулирования захвата и хранения CO ₂ посредством усиленного морского фотосинтеза (см. Выше).

Чистая стоимость <100 долларов США / т CO ₂ смягченных последствий значительно ниже 600–1000 долларов США / т CO ₂ , ранее оцененных для химического / термического воздуха CO _{2 Улавливание} , которое исключает затраты на хранение (16, 17 ) и даже в пределах стоимости более традиционного улавливания и геологического хранения молекулярного CO ₂ из потоков точечных отходов (45). Однако из-за отсутствия оптимизированной системы-прототипа истинная рентабельность и экологические преимущества этой схемы снижения выбросов CO ₂ на основе минералов / электролиза в масштабе еще предстоит определить.

Выводы

В лабораторных условиях был продемонстрирован метод, который использует кислотность анолита, обычно получаемую при электролизе соленой воды, для ускорения растворения силикатных минералов в процессе получения H ₂ и других газов. Было показано, что полученный раствор электролита имеет значительно повышенную концентрацию гидроксида, который, в свою очередь, сильно поглощает и удерживает CO ₂ . При питании от неископаемой электроэнергии и потреблении минералов и солевых растворов во всем мире, такие системы в больших масштабах могут обеспечить относительно эффективные и мощные средства для потребления и хранения избыточного воздуха CO ₂ в виде экологически безопасного бикарбоната или карбоната морской воды, а также производства углерода. отрицательное «сверхзеленое» топливо или химическое сырье, H ₂ .Примечательно, что такие электрохимические методы позволяют избежать неэффективных и дорогостоящих термических / механических процессов, необходимых для концентрирования CO ₂ из воздуха и рециркуляции реагентов, что присуще большинству ранее описанных химических систем улавливания воздуха (например, 13⇓⇓⇓ – 17 ). Использование полученного гидроксида для потребления избыточного CO ₂ в океане исключило бы необходимость в эквивалентном количестве более технически сложного прямого улавливания и концентрации CO ₂ в воздухе, одновременно выполняя такое же снижение чистого атмосферного CO ₂ .Добавление химического основания / щелочности в океан также поможет нейтрализовать или компенсировать последствия подкисления океана.

Необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить оптимальные конструкции и рабочие процедуры, рентабельность и чистое воздействие на окружающую среду / выгоду от электрохимически опосредованного улавливания воздуха CO ₂ и производства H ₂ с использованием основных минералов. Мы согласны с Lackner et al. (18): «Предстоит провести обширные исследования и разработки в отношении различных возможных материалов, компонентов и механизмов технологии улавливания воздуха.Учитывая огромные масштабы глобальной климатической проблемы … эти НИОКР необходимо срочно расширить ». Методы, которые не требуют концентрирования молекулярного CO ₂ из воздуха (или из потоков отходов), как показано здесь, могут указать путь к более рентабельному, экологически благоприятному и безопасному управлению воздухом CO ₂ с помощью в настоящее время В этом случае дополнительные преимущества производства возобновляемого топлива и повышения щелочности океана.

Материалы и методы

Триста миллилитров 0.25 M (0,5 N) Na ₂ SO ₄ в деионизированной воде добавляли в стеклянный стакан емкостью 400 мл, в котором вертикально подвешивали графитовый анод и катод (каждый имел диаметр 2 мм и длину 16,5 см). погружен на глубину 5,5 см) на расстоянии 5,7 см по горизонтали. И анод, и катод содержались и центрировались по вертикали в отдельных пористых пластиковых пробирках (перфорированные центрифужные пробирки Falcon 15 мл, внешний диаметр 1,5 см × 12 см), что облегчало поддержку и размещение электродов, а также их контакт с электродом. электролит.Внутренняя стенка и дно анодного контейнера были покрыты бумажным фильтром, и в зависимости от проведенного эксперимента внутренняя часть анодного контейнера была заполнена ∼12 г порошкообразного волластонита (CaSiO ₃ , NYAD 325; NYCO Minerals, Inc.) или порошкообразного ультраосновного силикатного стандарта (UM-4; Канадский центр минеральных и энергетических технологий), либо его оставили незаполненным. Материал UM-4 представляет собой змеевиковый метаперидотит из роговой обманки с Канадского щита, содержащий 38.8% SiO ₂ , 22,6% MgO, 12,5% FeO, 9,23% Al ₂ O ₃ и меньшие количества других компонентов (46). Количество добавленного силиката было таким, чтобы верхняя поверхность силикатной массы находилась на ~ 2,5 см выше поверхности электролита, тогда как около 5,5 см массы и электрод, расположенный вертикально и центрально, были погружены. Затем измеряли pH электролита с помощью калиброванного pH-зонда Thermo Scientific Orion 8203BN (точность ± 0,01 единицы).Также с помощью шприца отбирали пробу раствора объемом 40 мл и хранили в запечатанном флаконе в темноте при комнатной температуре. Концентрация OH ^— была рассчитана из pH: [OH ^—] = 10 ^{(pH -7,6)} мкМ.

Затем электроды были подключены к источнику постоянного тока, который вырабатывал напряжение в замкнутой цепи в среднем 3,5–3,6 В и средний ток 7,1–9,5 мА (таблица 1). Электролиз проводился во всех экспериментах, о чем свидетельствует очень слабое выделение газа (H ₂ ) с катода.Электролиз продолжался до 1,5 ч, периодически измеряя pH раствора. По окончании электролиза измеряли pH, снимали электроды, отбирали образец раствора объемом 40 мл и хранили, как указано выше. Оставшийся раствор затем осторожно продували (0,4 л / мин) воздухом в течение ночи. После, по крайней мере, 18 часов барботирования, снова измеряли pH раствора и отбирали еще одну пробу объемом 40 мл, которая хранилась. Продолжительность барботирования воздуха была выбрана для удобства и для обеспечения достижения равновесия воздух / раствор, на что указывает конечная временная стабильность pH раствора.Фактически, большинство наблюдаемых общих понижений pH происходило в течение первых нескольких часов образования пузырьков воздуха.

Отобранные пробы воды, взятые в предыдущих экспериментах, затем были проанализированы на общую концентрацию DIC с использованием анализатора углерода OI Analytical 1030W, в котором использовалась фосфорная кислота для преобразования DIC в CO _{2 (г)} , с последующим барботированием N ₂ и CO ₂ количественное определение с использованием твердотельного недисперсного ИК-детектора. Аналитическая точность составила ± 5%. Концентрации Na ⁺ , Ca ²⁺ и Mg ²⁺ измеряли с помощью квадрупольного масс-спектрометра с индуктивно связанной плазмой Thermo Electron XSeries.Образцы были объемно разбавлены раствором внутреннего стандарта в 2% -ной азотной кислоте. Был проведен полностью количественный анализ с использованием линейной калибровочной кривой на основе известных прослеживаемых стандартов Национального института стандартов и технологий. Внутренний стандарт был скорректирован с учетом дрейфа прибора и подавления от матрицы дайджеста. Аналитическая погрешность составляла около ± 5%. Исходные концентрации DIC, Ca ²⁺ и Mg ²⁺ были скорректированы с учетом потери воды путем умножения на соотношение исходной и конечной концентраций Na ⁺ в каждом эксперименте.

Благодарности

Мы благодарим V. Genetti [Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса (LLNL)] за выполнение МС-анализов индуктивно связанной плазмы. Это исследование частично финансировалось субподрядом B589409 от LLNL Калифорнийскому университету в Санта-Круз. Эта работа была выполнена под эгидой Министерства энергетики США LLNL по контракту DE-AC52-07NA27344.

Сноски

• Автор: G.H.R. спланированное исследование; ГРАММ.Х.Р. провел исследование; G.H.R., S.A.C. и M.J.S. внесены новые реагенты / аналитические инструменты; G.H.R., S.A.C., W.L.B., M.J.S. и M.M.S. проанализированные данные; и G.H.R., S.A.C., W.L.B. и R.D.A. написал газету.

• Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

• Эта статья представляет собой прямое представление PNAS.

Свободно доступен в Интернете через опцию открытого доступа PNAS.

Типы силикатов, Классификация, Примеры, Структура, Формула, Орто-Пиро-Циклический, Цепной, Текто

Силикаты — это минералы, содержащие кремний и кислород в тетраэдрических единицах SiO ₄ ^4- , которые связаны между собой в несколько структур.В зависимости от способа соединения тетраэдрических звеньев силикаты подразделяются на следующие типы.

Ортосиликаты (или силикаты Neso или Island) — это простейшие силикаты, которые содержат дискретные SiO ₄ ^4- тетраэдрических звеньев. В основные структурные Блок ортосиликатного блока показан ниже.

Ортосиликатный ион представляет собой сильное сопряженное основание слабой ортокремниевой кислоты. а также он не будет сохраняться в водных растворах.Следовательно, в природе орто силикатные минералы встречаются редко и встречаются только с катионами, которые сильно образуют нерастворимые соли.

Примеры ортосиликатов:

1) Фенакит (также известный как фенакит) — Be ₂ SiO ₄

2) Виллемит — Zn ₂ SiO ₄ — Минеральная силикатная руда цинка. Сильно флуоресцентный (зеленый) в коротковолновом УФ-свете.

Примечание. Ионы Be ²⁺ и Zn ²⁺ тетраэдрически окружены атомами кислорода силиката.

3) Оливин — (Fe / Mg) ₂ SiO ₄ : Обычно зеленого цвета. Катионы октаэдрически координированы с атомами кислорода силиката.

4) Циркон — ZrSiO ₄ : Самый старый минерал на Земле. Координационное число Zr ⁴⁺ — 8.

Пиросиликат (или соросиликат, или дисиликат) содержат ионы Si ₂ O ₇ ^6- , которые образуются путем соединения двух тетраэдрических SiO ₄ ^4-, которые имеют один атом кислорода в одном углу ( один кислород удаляется при соединении).Структура пиросиликата показана ниже.

Пиросиликатный ион менее основной, чем ортосиликатный ион. Там только один минерал в природе, содержащий пиросиликат-ион.

Например, 1) Торвейтит — Sc ₂ Si ₂ O ₇

Циклические силикаты содержат (SiO ₃ ) _n ^2n- ионы, которые образуются путем циклического связывания трех или более тетраэдрических единиц SiO ₄ ^4- единиц.Каждая единица разделяет два атома кислорода с другими единицами.

Например,

1) Бенитоит — BaTi (SiO ₃ ) ₃ : содержащий три тетраэдра, расположенных циклически [Si ₃ O ₉ ) ^6-].

2) Берилл — Be ₃ Al ₂ (SiO ₃ ) ₆ : содержащий шесть силикатных колец [Si ₆ O ₁₈ ) ^12-]. Это алюмосиликат.Каждый алюминий окружен 6 атомами кислорода. октаэдрически. К хорошо известным разновидностям берилла относятся изумруд и Аквамарин.

Цепные силикаты или пироксены содержат ионы (SiO ₃ ) _n ^2n- , которые образуются путем линейного связывания «n» числа тетраэдрических SiO ₄ ^4- единиц. Каждая единица разделяет два атома кислорода с другими единицами.

Примеры цепных силикатов:

1) Сподумен — LiAl (SiO ₃ ) ₂ — минерал пироксен, состоящий из литий-алюмосиликата

2) Диопсит — CaMg (SiO ₃ ) ₂

3) Волластонит — Ca ₃ (SiO ₃ ) ₃

Примечание: Формула циклических силикатов, а также цепных силикатов: (SiO ₃ ) _n ^2n- .Следовательно, они считаются олигомеры неизвестного SiO ₃ ^2- иона.

Общая формула двухцепочечных силикатов (или амфиболов) : (Si ₄ O ₁₁ ) _n ^6n- . Есть два типа тетраэдров: те, которые имеют 3 вершины, и те, которые имеют только 2 вершины.

Например,

1) Асбест — негорючие волокнистые силикаты.Они использовались для теплоизоляции, тормозных накладок, строительных материалов и фильтров. Это канцерогенные амфиболы, поражающие легкие. Следовательно, их применение в настоящее время ограничено.

2) Тремолит — Ca ₂ Mg ₅ (Si ₄ O ₁₁ ) ₂ (OH) ₂

Примечание: силикаты с одной и двумя цепями вместе известны как Иносиликаты.

Общая формула Sheet или Phyllo или двумерные (2-D) силикаты (Si ₂ O ₅ ) _n ^2n- .Каждый тетраэдр SiO ₄ разделяет три атома кислорода с другими и, таким образом, образует двумерные листы. Эти силикаты легко раскалываются, как и графит. В слои удерживаются вместе слабыми силами Ван-дер-Ваала.

Например,

1) Тальк — Mg ₃ Si ₄ O ₁₀ (OH) ₂ : это основной ингредиент мыльного камня. Это это самый мягкий материал с гладким и жирным налетом.

2) Micas: Общая формула: X ₂ Y _4–6 Z ₈ O ₂₀ (OH, F) ₄

Где X = K, Na или Ca

Y = Al, Mg или Fe

Z = Si или Al

E.грамм. Мусковитовая слюда — KAl ₂ (AlSi ₃ O ₁₀ ) (F, OH) ₂ — легко разбивается на тонкие слои

и лепидолит — KLi ₂ Al (Al, Si) ₃ O ₁₀ (F, OH) ₂

3) Глина: это алюмосиликат с листовой структурой.

4) Каолинит — AlSiO ₅ (OH) ₅

Общая формула трехмерных (3-D) или текто- или каркасных силикатов : (SiO ₂ ) _n .Все атомы кислорода SiO ₄ являются общими с другими тетраэдрами и, таким образом, образуют трехмерную сеть.

Например, SiO ₂ — Кварц, тридимит и кристалобалит — это кристаллические формы кремнезема.

Когда SiO ₄ ^4- единиц заменены на AlO ₄ ^5- единиц, образуются трехмерные алюмосиликаты .

Например, Полевой шпат, цеолиты, ультрафиолет и т. Д.,

НЕСКОЛЬКО ВАЖНЫХ СВЕДЕНИЙ О СИЛИКАТАХ

* Силикатные минералы очень распространены в земной коре, так как кислород и Кремний — самые распространенные элементы.

* Степень полимеризации обозначается как кислород в кремний. отношение (O / Si). Чем выше степень полимеризации, тем ниже будет O / Si. соотношение. Значения O / Si для орто-силикатов (лизинговых полимеризованных) = 4: 1. а для тектосиликатов (наиболее полимеризованный силикат) = 2: 1.

* С увеличением степени полимеризации наблюдается уменьшение заряд на атом кремния, а также основность силикатного минерала.Действительно, кремнезем (SiO ₂ ) кислый оксид.

* Основные силикатные минералы легко реагируют со слабыми кислотами и подвергаются выветривание.

Вопрос-1) Какое утверждение о силикатах НЕ правильно?

а) Основная единица силикатов — SiO ₄ ^4-. В этом случае кремний 4-координирован по атомам кислорода тетраэдрически.

б) Асбест — амфибол. силикат.

c) Тальк и слюда являются примерами силикатов с цепной структурой.

г) Цеолиты — это алюмосиликаты.

e) Некоторые силикаты содержат дискретные молекулярные ионы.

Подсказка: тальк и слюда представляют собой листовые или филлосиликаты.

Вопрос-2) (SiO ₃ ) _n ^2n- может быть эмпирической формулой:

а) Циклические силикаты

б) Пиросиликаты

в) Цепные силикаты

г) оба a & c

Вопрос-3) Общая формула силикат-иона, присутствующего в циклических силикатах. это:

а) SiO ₄ ^4-

б) Si ₂ O ₅ ^2-

c) Si ₂ O ₇ ^6-

d) (SiO ₃ ) _n ^2n-

Вопрос-4) Какое из следующих утверждений НЕ верно?

а) Глина представляет собой алюмосиликат с листовой структурой.

б) В трех размерные алюмосиликаты, SiO ₄ ^4- заменен на AlO ₄ ^5- шт.

в) В тектосиликатов, все атомы кислорода в тетраэдрах SiO ₄ являются общими.

г) Кварц представляет собой филлосиликат.

Вопрос-5) Слоистые силикатные структуры в глинах состоят из следующих группа.

а) SiO ₄ ^4-

б) Si ₂ O ₅ ^2-

c) Si ₂ O ₇ ^6-

d) (SiO ₃ ) _n ^2n-

Вопрос-6) Силикатные минералы амфибола состоят из

а) одиночные тетраэдры кремния

б) цепочки из тетраэдров кремнезема

в) двойные цепочки тетраэдров кремнезема

г) листы тетраэдров кремнезема

Вопрос-7) Что из следующего верно относительно ионного обмена на алюмосиликаты?

а) Na ⁺ сорбируется сильнее, чем K ⁺

б) Ca ²⁺ сорбируется меньше сильнее Na ⁺

в) NO ₃ ^— сорбируется сильнее, чем Na ⁺

г) Al ³⁺ сорбируется сильнее, чем Mg ²⁺

Пояснение: Чем больше плотность заряда, тем выше сорбция.И вы знаете, что плотность заряда обратно пропорциональна радиусу. Больше заряд и чем меньше радиус, тем выше плотность заряда.

Вопрос-8) Beryl, Be ₃ Al ₂ Si ₆ O ₁₈ is:

а) ортосиликат

б) пиросиликат

в) циклический силикат

г) Нет

Ни намека !: Изумруд и аквамарин являются драгоценными формами берилла.

Вопрос-9) Какое из следующих утверждений верно / верно для амфибола? силикаты?

a) Эмпирическая формула [(SiO ₃ ) ^2- ] _n

б) Есть два типа тетраэдры: те, у которых 3 вершины, и те, у которых 2 общие вершины

в) Есть только один тип тетраэдров.

d) Эмпирическая формула [(Si ₄ O ₁₁ ) ^6- ] _n

Вопрос-10) Формула иона пиросиликата:

а) SiO ₄ ^4-

б) Si ₃ O ₉ ^2-

c) Si ₂ O ₇ ^6-

d) Si ₆ O ₁₈ ^12-

Вопрос-11) В обычных силикатах каждый атом кремния окружен

а) пять атомов кислорода в тригонально-бипирамидальной геометрии

б) четыре атома кислорода в плоской квадратной геометрии

в) четыре атома кислорода в тетраэдрическая геометрия

г) шесть атомов кислорода в октаэдрической геометрии

Вопрос-12) Что из следующего является примером циклического силикат?

а) сподумен

б) Оливин

в) Берилла

г) Асбест

Вопрос-13) Эмпирическая формула двухцепочечных силикатов:

а) SiO ₄ ^4-

б) Si ₃ O ₉ ^2-

c) Si ₂ O ₇ ^6-

d) (Si ₄ O ₁₁ ) _n ^6n-

Вопрос-14) Силикаты, в которых три атома кислорода на общие вершины тетраэдров:

а) Амфиболы

б) пироксены

в) филосиликаты

г) пиросиликаты

Вопрос-15) Отношение Si к O в филлосиликатах составляет:

а) 2: 4

б) 1: 4

в) 2: 5

г) 1: 5

16) Какой из следующих минералов лития относится к типу пироксена? силикатная структура?

а) Лепидолит

б) сподумен

в) Петалит

г) Нет

Примечание: Петалит, LiAlSi ₄ O ₁₀ — тектосиликат.

17) Формула циклического силиката, в котором 6 тетраэдров являются Циклически расположены:

a) Si ₆ O ₁₈ ^12-

б) Si ₆ O ₁₈ ^6-

c) Si ₆ O ₆ ^2-

d) Si ₆ O ₁₈ ^6-

18) В каких из следующих силикатов существует два типа SiO ₄ тетраэдров: те, у которых 3 вершины, и те, у которых 2.

а) Пироксены

б) Филлоксиликаты

в) Амфиболы

г) Tecto силикаты

19) Число атомов кислорода, участвующих в обмене в [Si ₃ O ₉ ] ^6- ion:

а) 2

б) 3

в) 6

г) 4

20) Среди полевого шпата, мусковитовой слюды и цеолита,

а) все трехмерные силикаты

б) полевой шпат и цеолит трехмерны, а мусковит слюда слоистая

c) полевой шпат трехмерен, а цеолит и мусковит слюда слоистая

г) все силикаты слоистые

21) Общий заряд циклического силикат-аниона [Si ₆ O ₁₈ ] ^n- это:

а) 24

б) 12

в) 18

г) 6

22) Силикатный минерал с пониженной степенью полимеризации. среди следующих:

1) Грунерит — Fe ₇ Si ₈ O ₂₂ (OH) ₂

2) Пирофиллит, Al ₂ Si ₄ O ₁₀ (OH) ₂

3) Тальк — Mg ₃ Si ₄ O ₁₀ (OH) ₂

4) Тремолит — Ca ₂ Mg ₅ (Si ₄ O ₁₁ ) ₂ (OH) ₂

_{Подсказка: чем больше соотношение O / Si, тем ниже степень полимеризации.}

23) Что из перечисленного не является ортосиликатом?

а) Фенакит

б) оливин

в) Оливин

г) Берил

24) BaTi [Si ₃ O ₉ ] относится к классу:

а) ортосиликат

б) силикат циклический

в) силикат цепной

г) лист силикатный

25) Какие из следующих силикатов имеют трехмерную структуру?

1) Несо

2) Филло

3) Соро

4) Tecto

26) Значение n в молекулярной формуле Be _n Al ₂ Si ₆ O ₁₈ это:

а) 3

б) 4

в) 6

г) 8

27) Основная структурная единица слюды цеолита полевого шпата и асбест есть:

а) SiO ₄ ^4-

б) SiO ₂

c) (R ₂ SiO) _n

d) (SiO ₃ ) _n ^2n-

28) Торветит, Sc ₂ Si ₂ O ₇ составляет:

а) пиросиликат

б) ортосиликат

в) силикат листовой

г) ан амфибол

29) Что из следующего неверно относительно анионной единицы? пиросиликат?

a) Один кислород используется двумя SiO ₄ тетраэдры.

б) Он имеет три циклически соединенных тетраэдра SiO ₄ .

в) Он имеет щелочную природу и поэтому легко вступает в реакцию со слабыми кислотами.

г) Отношение O / Si составляет 3,5: 1.

30) Силикат с одним одновалентным угловым атомом кислорода в каждом блок тетраэдра:

а) Циклический силикат.

б) Филлосиликат.

в) Амфиболы.

г) Ортосиликаты.

31) Какие силикатные минералы показаны на этой схеме силикатных тетраэдров?

а) Ортосиликат.

б) Циклический силикат.

в) Каркас силикатный.

г) Филосиликат.

32) Какие из следующих силикатов относятся к пироксенам?

а) Одноцепочечные силикаты.

б) Филлосиликат.

в) Тектосиликаты.

г) Силикаты с двойной цепью.

33) Минералы слюды, такие как мусковит, флогопит и биотит, образуют некоторые камни сверкают, поскольку они очень легко распадаются на тонкие параллельные листы плоские поверхности, отражающие свет. Причина:

1) Это ортосиликаты, содержащие дискретные звенья SiO ₄ ^2- тетраэдры.

2) Это каркасные силикаты.

3) Это филосиликаты со слоями, которые удерживаются вместе сильными силами Ван дер Ваала.

4) Это филосиликаты со слоями, которые удерживаются вместе слабыми силами Ван дер Ваала.

34) Установки Si ⁴⁺ в полевом шпате заменены на:

1) Ca ²⁺

2) Na ⁺

3) Al ³⁺

4) К ⁺

35) Название структуры силикатов, в которых три кислорода общие атомы SiO ₄ ^4- :

1) Пиросиликаты

2) Пироксены

3) Тектосиликаты

4) Амфиболы

36) Тип силикатного элемента, присутствующего в берилсиликате Be ₃ Al ₂ [Si ₆ O ₁₈ ] это:

1) соросиликат

2) циклосиликат с шестью звеньями

3) лист силикатный

4) циклосиликатный с тремя звеньями

37) Сколько атомов кислорода в SiO ₄ ^4- единиц разделяются ли в сплошной 3d каркас силикатов?

1) 2

2) 3

3) 4

4) 1

38) Берилл — силикат.Его анионная часть содержит [Si _n O _3n ] ^12-, тогда значение n равно:

1) 3

2) 6

3) 9

4) 18

39) Назовите вид структуры силиката, в которой атом кислорода SiO ₄ ^4- общий:

1) Несиликатный

2) Соросиликат

3) Филлосиликат

4) Тектосиликат

40) Кремнезем представляет собой сетчатое тело со связями Si-O-Si.Во многих алюмосиликаты, несколько атомов Si в структуре кремнезема замещаются атомами Al. Цеолиты, глины, асбест и т. Д. Являются примерами алюмосиликатов. имеющий разную структуру. Утверждение, которое неверно: (НЕСТ 2017)

(A) Основная структурная единица силикатов — тетраэдр (SiO ₄ ) ^4-.

(B) Результат замещения атома Si в диоксиде кремния на атом Al в отрицательном заряде на атоме Al.

(C) Диоксид кремния растворяется в водном растворе NaOH с образованием силиката натрия. в котором Na ⁺ связан с оксианионами.

(D) Силиконы являются примерами силикатов.

41) Наиболее вероятная геометрия силикатного блока: (NEST 2012)

(А) квадратный плоский.

(В) квадратно-пирамидальный.

(C) октаэдрический.

(D) четырехгранный

42) Египетский синий CaCuSi ₄ O ₁₀ является примером из:

А) лист силикатный

B) Циклический силикат

C) Пиросиликат

D) Цепной силикат

43) Наиболее часто используемый кислотный катализатор в нефтяной промышленности и соответствующий соответственно: (CSIR NET JUNE 2012 Solved — AdiChemistry)

1) Алюмофосфат и риформинг

2) Алюмосиликат и растрескивание

3) Алюмосиликат и риформинг

4) Алюмофосфат и крекинг.

44) Виды, образующиеся в результате замены одной четверти Si (IV) в пирофиллит [Al2 (OH) 2Si4O10] с Al (III) Баланс заряда по K (I)] равен (Решено CSIR NET ИЮНЬ 2019 — AdiChemistry)

(1) Москвич

(2) Флогопит

(3) Монтмориллонит

(4) Тальк

Вопрос-45) силикаты с непрерывным трехмерным каркасом известны как:

(1) Тектосиликаты

(2) амфиболы

(3) Пироксены

(4) Циклические силикаты

Ответ: 1

ASDN — Химия — Силикаты

Первые изделия из силиката, такие как гончарные изделия, были получены во время упадка цивилизации.Возраст самых ранних фрагментов искусственной обожженной глины, по данным археологов, составляет около 15 века до нашей эры, тогда как первая промышленная керамика была произведена в Египте в 5000 году до нашей эры. С тех пор керамика дает человеку инструменты, прочную тару и даже крышу. Производство стекла появилось немного позже, примерно в третьем веке до нашей эры. Несмотря на солидный возраст, силикатная промышленность до сих пор успешно развивается. Поскольку силикаты являются наиболее распространенным сырьем в природе (земная кора состоит на 75% из алюмосиликатов и на 12% из кремнезема, которые представлены более чем 500 видами минералов), неудивительно, что силикатные продукты неотъемлемо вплетены в жизнь человека.В настоящее время существует большое количество искусственных силикатов: неорганические связующие, такие как цемент и жидкое стекло, катализаторы из синтетических цеолитов, органосиликатные соединения, такие как тетраэтилортосиликат (TEOS), который обычно используется в качестве прекурсора при золь-гелевой обработке, и т. Д.

Термин «силикаты » можно определить как соединения, содержащие анионы [SiO ₄ ] ^4-. Однако атомы кремния в силикатах могут существовать с более высокими координационными числами, чем четыре, например шесть, как в случае стишовита (полиморф SiO ₂ под высоким давлением).Дополнительно атомы кислорода могут быть заменены атомами фтора, как в случае гексафторсиликатов, солей гексафторкремниевой кислоты (H ₂ SiF ₆ ). В природе существует множество минералов, содержащих различные сочетания кремния и кислорода. Большинство природных силикатов, таких как слюды, полевой шпат, берилл, волластонит и др., Образуются в результате затвердевания магмы (магматического происхождения). Некоторые силикаты также образуются в метаморфических породах, таких как сланцы и гнейсы.Кроме того, глинистые минералы, такие как каолинит (Al ₂ Si ₂ O ₅ (OH) ₄ ) или монтмориллонит ((Na, Ca) _0,33 (Al, Mg) ₂ (Si ₄₎ O ₁₀ ) (OH) ₂ nH ₂ O) являются экзогенными, поскольку образовались в результате выветривания первичных (эндогенных) пород. Природные силикаты могут существовать как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии. Одним из типичных примеров силикатных минералов, содержащих аморфный кремнезем, является драгоценный опал, который состоит из частиц кремнезема и ксерогеля кремниевой кислоты в качестве связующего.

Главное структурное подразделение

Основной структурной единицей силикатов является тетраэдрический кластер, содержащий один атом кремния и четыре атома кислорода. Размер тетраэдра [SiO ₄ ] ^4- является относительно стабильным, при этом длина связи Si-O изменяется от 0,161 до 0,164 нм в условиях окружающей среды. Прочность связей S-O довольно высока (энергия диссоциации составляет ~ 452 кДж / моль), что обеспечивает термическую стабильность и химическую стойкость большинства силикатных соединений.Тетраэдрические кластеры могут быть полимеризованы, т.е. связаны друг с другом через мостиковые атомы кислорода. Они способны образовывать полимеры посредством связывания с одним, двумя, тремя или четырьмя соседними тетраэдрами, образуя силоксановые связи Si-O-Si. Другие ионы могут быть расположены в силикатных решетках, таких как литий (Li ⁺ ), натрий (Na ⁺ ), калий (K ⁺ ), бериллий (Be ⁺ ), магний (Mg ^2+). ), кальций (Ca ²⁺ ), цинк (Zn ²⁺ ), бор (B ³⁺ ), алюминий (Al ³⁺ ), бериллий (Be ²⁺ ), (F ^— ) и т. Д.а также ионы титана, марганца и железа в различных степенях окисления. Некоторые катионы, такие как алюминий, бор, берриллий, способны изоморфно замещать атомы кремния в кремнеземно-кислородных тетраэдрах. Однако большинство из них находится вне анионного каркаса и играет роль «катионов со сбалансированным зарядом». Обычно они шестикоординатные.

Кристаллические силикаты

Существует несколько систем классификации кристаллических силикатов. Наиболее исчерпывающий из них был разработан Мачаски и Брэггом в 1930-х годах.Однако с тех пор спектр определяемых силикатных структур расширился, и некоторые минералы не попадают в классификацию Мачачки и Брэгга. В настоящее время наиболее часто используемая система классификации учитывает степень полимеризации тетраэдра [SiO ₄ ] ^-4 .

Несиликаты (ортосилакаты) — силикаты с изолированными (не полимеризованными) кластерами [SiO4] ^4-. Отрицательный заряд анионов нейтрализуется перечисленными выше катионами.Типичными примерами являются минералы группы оливина: форстерит (Mg ₂ SiO ₄ ) и фаялит (Fe ₂ SiO ₄ ), в которых ионы Mg ²⁺ и Fe ²⁺ находятся в 6- согласованное состояние и формирование [MeO ₆ ] групп. Структура монтичеллита (MgCaSiO ₄ ) очень похожа на форстерит, но разница состоит в том, что половина от общего количества ионов Mg ²⁺ замещена на Ca ²⁺ . Кианит, силлиманит и андалузит, имеющие одинаковый состав (Al ₂ SiO ₅ ) и разную решетку, а также муллит (3Al ₂ O ₃ 2SiO) ₂ являются представителями орто- алюмосиликатов. .Все они содержат группы [AlO ₆ ] ^3-, которые связаны в цепочки в направлении C. Эти цепочки связаны отдельным тетраэдром [SiO ₄ ] ^4-. Таким образом, существуют связи Al-O-Al и Si-O-Al, но отсутствуют связи Si-O-Si в алюмосиликатах этого типа.

Соросиликаты представляют собой силикаты, содержащие [Si ₂ O ₇ ] ^6- кластеров. Распределение одного атома кислорода между двумя соседними тетраэдрами приводит к образованию димера.Такой тип структуры реализуется, например, в Акерманите (Ca ₂ Mg [Si ₂ O ₇ ]), Ранкините (Ca ₃ [Si ₂ O ₇ ]) и в Тортвейтите. ((Sc, Y) ₂ Si ₂ O ₇ ).

Циклосиликаты представляют собой силикаты с циклическими кластерами из трех [Si ₃ O ₇ ] ^6-, четырех [Si ₄ O ₁₂ ] ^8- или шести [Si ₆ O ₁₈ ] ^12- тетраэдров.Типичными представителями циклосиликатов являются бенитоит (BaTi [Si ₃ O ₉ ], берилл (Be ₃ Al ₂ [Si ₆ O ₁₈ ]) и кордиерит (Mg ₂ Al _{. 3} [AlSi ₅ O ₁₈ ]), содержащий шестичленные кольцевые кластеры [AlSi ₅ O ₁₈ ], в которых один атом Si замещен на Al.

Иносиликаты представляют собой силикаты, состоящие из одномерных [SiO ₃ ] _∞ ^2- , [Si ₂ O ₅ ] _∞ ^2- и [Si ₄ O ₁₁ ] _∞ ^6- цепочек или лент и ионов со сбалансированным зарядом.Энстатит (Mg ₂ [Si ₂ O ₅ ] ₂ ) и диопсид (CaMg [SiO ₃ ] ₂ ) являются примерами цепочечных силикатов. В иносиликатах все тетраэдры имеют два общих атома кислорода и два избыточные отрицательные заряды для катионов, которые соединяют эти цепи с каркасом. Длина этих цепочек определяется размером кристалла.

Филлосиликаты (слоистые силикаты) представляют собой силикаты с двумерными слоями тетраэдров [SiO ₄ ] ^4-, разделяющих три атома кислорода между собой.Такие структуры обеспечивают хороший скол, т.е. способность раскалываться по определенным гладким плоским поверхностям. Например, слюды, тальк (Mg ₃ [Si ₂ O ₅ ] ₂ OH ₂ ), каолинит (Al ₂ [Si ₂ O ₅ ] (OH) ₄ ) имеют идеальный скол вдоль кристаллической плоскости в направлении [001]. Замещение атомов алюминия на атомы кремния очень часто происходит в анионных каркасах слоистых силикатов.

Тектосиликаты (силикаты каркаса) имеют трехмерный каркас, в котором все четыре атома кислорода каждого тетраэдра являются общими для соседних тетраэдров.Если замещения атомов Si не происходит, в диоксид кремниево-кислородном каркасе не будет избыточного отрицательного заряда. Поэтому решетки таких текстосиликатов, как кремнезем (SiO ₂ ) и все его полиморфы (кварц, тридимит, кристобалит, коэсит, стишовит) не содержат катионов. Существуют и другие типы тектосиликатов, например, в структуре Фенакита (Be ₂ SiO ₄ ) тетраэдры [SiO ₄ ] связаны с тетраэдрами [BeO ₄ ] и образуют трехмерный каркас. вместе.В случае полевых шпатов катион SI ⁴⁺ заменяется на Al ³⁺ в тетраэдрах, обеспечивая отрицательный заряд этого анионного каркаса. Этот отрицательный заряд уравновешивается катионами, например. Na ⁺ в альбите (NaAlSi ₃ O ₈ ), K ⁺ в микроклине (KAlSi ₃ O ₈ ) и Ca ²⁺ в анортите (CaAl ₂ Si ₂ О ₈ ). Цеолиты также можно отнести к тектосиликатам [1].

Силикаты природные некристаллические

Природный аморфный кремнезем, такой как диатомит и драгоценный опал (природный гидратированный аморфный кремнезем), являются примерами этого типа некристаллических силикатов.Они аморфны в том смысле, что не дают резкой картины дифракции рентгеновских лучей, но в некоторых случаях было показано, что они содержат субмикроскопические кристаллические области. Аморфный кремнезем может образовываться путем конденсации из паровой фазы, выбрасываемой при извержениях вулканов, или путем осаждения из насыщенных растворов. Кремнезем часто содержится в примитивных организмах, растениях или диатомовых водорослях (диатомит) и остается в земной коре в аморфном состоянии после их смерти. Опалы имеют структуру, которая образована из однородных частиц коллоидного кремнезема диаметром 100-500 нм.Поверхность этих частиц сильно гидратирована, т.е. покрыта группами ОН. Опалы могут содержать от 6 до 24% воды. Процесс образования драгоценного опала состоит из трех этапов: 1) образование однородных частиц, 2) их регулярное осаждение, 3) их склейка. В природе процесс изготовления опала занимает очень много времени [2].

Силикаты на водной основе

Растворение кремнезема включает химическую реакцию гидролиза: SiO ₂ + H ₂ O → Si (OH) ₄ .Хорошо известно, что растворимость кремнезема в воде при нормальных условиях очень низкая: равновесная концентрация аморфного SiO ₂ в воде при 25 ℃ составляет 70 частей на миллион, тогда как для кристаллического кремнезема, такого как кварц, это значение не более 6 промилле. Чтобы получить перенасыщенный раствор кремнезема, следует использовать повышенные температуры, давления и высокий pH (около 12) [2]. Перенасыщенные растворы нестабильны и подвержены конденсации в условиях окружающей среды.Кремниевая кислота даже при pH выше 7 в значительной степени депротонируется, и разновидности анионов имеют высокий (отрицательный) поверхностный заряд. В присутствии щелочных металлов, таких как натрий (Na) или калий (K), эти системы состоят из гидратированных катионов и поликремниевых анионов (продуктов процесса поликонденсации) (см. Уравнение):

≡Si — OH + OH ^— → ≡ SiO ^— + H ₂ O
≡SiO ^— + HO-Si → ≡Si — O — Si≡ + OH ^—

Анионы могут быть представлены мономерами, олигомерами и полимерными трехмерными структурами.Гидратированные катионы участвуют в образовании двойного электрического слоя. Двойной электрический слой и стерический фактор (уменьшение вероятности присоединения мономеров к разветвленным частицам) являются причинами агрегативной устойчивости таких систем [3]. Перенасыщенные растворы кремниевой кислоты могут использоваться в золь-гель-обработке в качестве прекурсоров наряду с более широко используемой системой: TEOS (TMOS) -H ₂ O-ROH, где ROH представляет собой спирт. Водные растворы силикатов могут давать аэрогели и ксерогели или плотную керамику после экстракции растворителем, испарения растворителя или нагревания соответственно.Одним из наиболее широко используемых примеров растворов щелочных силикатов является жидкое стекло. Промышленные водяные стекла являются концентрированными (около 40 мас.% Силиката). Их состав можно выразить как: R ₂ O ● mSiO ₂ ● xH ₂ O, где R ₂ O — оксид натрия или оксид калия, а m — мольное отношение оксида кремния к оксиду щелочного металла. . Водные стекла применяются в технологии кислотостойких бетонов и других строительных материалов.

Кристаллические, полукристаллические и аморфные синтетические силикаты

Цемент и керамика: Керамика и гидравлические цементы представляют собой основные классы кристаллических синтетических силикатов, имеющих важное промышленное значение.И керамика, и цемент образуются плавлением при высоких температурах (1000-1600 C). Керамика, как правило, представляет собой высококристаллическое вещество, содержащее некоторую «стекловидную фазу». Если стекловидная фаза содержится в количествах, обеспечивающих кристалличность в диапазоне от 30% до 90%, то такие композиты обычно называют стеклокерамикой. Портландцемент — самый распространенный цемент, который широко используется в строительстве. Он образуется путем спекания смеси природной глины, известняка (CaCO ₃ ) и песка (SiO ₂ ), а также некоторых добавок, таких как оксид железа (Fe ₂ O ₃ ).Спекание проводят при температурах от 1400 до 16000 С. Продуктом этого синтеза является клинкер (диаметр зерен 3-25 мм), который состоит из силикатов четырех типов, а именно силиката трикальция (3CaO ● SiO _2). ), R-дикальций силикат (R-2CaO ● SiO ₂ ), алюминат трикальция (3CaO ● Al ₂ O ₃ ) и алюмоферрит кальция (4CaO ● Al ₂ O ₃ ● Fe ₂ O ₃ ), а также свободная известь (CaO и Ca (OH) ₂ ) и свободный MgO.После последующего охлаждения эти зерна смешиваются с гипсом и измельчаются для получения порошка, который мы обычно называем «цементом». Если к порошку добавить воду, образуются гидраты силиката кальция и происходит процесс отверждения [3].

Стекло: Современное определение стекла — это «аморфное твердое тело, полностью лишенное длительной периодической атомной структуры и демонстрирующее область свойств превращения стекла», поэтому любой материал, образованный любым методом (осаждение из паровой фазы, золь-гель обработка или метод закалки в расплаве), который демонстрирует свойства превращения стекла, представляет собой стекло, и диоксид кремния не является обязательным компонентом для них.Однако стекло, которое мы используем в повседневной жизни (окна, пивные бутылки, стаканы, оптические волокна в нашей телекоммуникационной системе и т. Д.), Представляет собой силикатное стекло, образованное путем охлаждения расплава. В этой технологии обычно используется кварцевый песок в качестве основного источника SiO ₂ и компонентов, содержащих щелочные и щелочноземельные элементы. Однородные силикатные расплавы такого состава могут быть получены при температурах около 1200 ° C и более. Процесс охлаждения должен быть достаточно быстрым, чтобы избежать кристаллизации и получить прозрачное стекло хорошего качества.Если расплав имеет правильную зависимость вязкости от температуры, то структура охлажденного стекла будет подобна замороженной жидкости, которая характеризуется ближним порядком [4].

Геополимеры — еще один пример искусственных полукристаллических материалов. Название «геополимеры» было введено Дж. Давидовичем и применяется к широкому спектру алюмосиликатных соединений, активируемых щелочными или щелочными силикатами. Их можно получить из аморфных глин и щелочно-силикатных растворов без плавления при высоких температурах и без значительного выброса CO ₂ .Процесс отверждения алюмосиликатов, активированных щелочами, основан на образовании связей Si-O-Al и Si-O-Si в условиях окружающей среды. Вполне вероятно, что эти продукты имеют очень значительный коммерческий потенциал, но эта технология сейчас только разрабатывается [5].

Благодарность

Содержание веб-страницы разработала Таисия Скорина, старший химик-химик компании 3M Corporation. О ее проекте читайте в Массачусетском технологическом институте.

Список литературы

[1] The Physical Chemistry of the Silicates by Wilhelm Eytel (University of Chicago Press, 1954)
[2] Химия кремнезема: растворимость, полимеризация, коллоидные и поверхностные свойства и биохимия by Ральф К.Иллер (публикация Willey Interscience, 1979)
[3] Введение в стекольную науку и технологию, 2-е издание , автор: JE Shelby (Королевское химическое общество, 2005)
[4] Продвинутый уровень цементной технологии: химия , Производство и тестирование 2nd Edition, SN Гош (Tech Books International, 2002)
[5] Джон Л. Провис, Грант С. Люки и Дженни С. Дж. Ван Девентер «Действительно ли геополимеры содержат нанокристаллические цеолиты? Пересмотр существующих результатов » Chem.Матер. 2005, 17, 3075-3085

Публикации автора страницы

Водное изменение калийсодержащих алюмосиликатных минералов: от механизма к переработке
Источник ионов щелочных металлов с умеренной скоростью высвобождения ионов и методы образования
Ионный обмен в аморфных щелочно-активированных алюмосиликатах: геополимеры на основе калия
Щелочно-силикатные связующие: влияние SiO2 / Соотношение Na2O и тип иона щелочного металла на структуру и механические свойства
Функциональные материалы из местных и широко распространенных прекурсоров: масштабируемый и экономичный синтетический подход

Подробнее о силикатах

.