بخشی از مقاله
خلاصه
کریستوبالیت معدنی، پلی مورف درجه حرارت بالایی از سیلیس است، به این معنی که این ماده دارای فرمول شیمیایی همانند کوارتز، SiO2 ، با ساختار بلوری مجزا می باشد. سرامیک کریستوبالیت تثبیت شده دارای پتانسیل بسیار زیادی برای استفاده در تولید و فرآوری مواد سرامیک مهندسی، با توجه به مقاومت بالای آن در برابر شوک حرارتی و ضریب انبساط کم با مقاومت شیمیایی بالا و چگالی پایین است.
این ماده از مخلوطی از دیاتومیت خالص دوپه شده به همراه یک منبع آلومینا مانند سدیم آلومینات و یک عامل هدایت کننده مناسب مورد بررسی قرار گرفت. در این کار پژوهشی تخلیص دیاتومیت توسط لیچینگ اسید گرم انجام گرفت و در پی آن پودر سیلیس سرامیکی درجه بالایی به دست آمد. مواد تهیه شده از این ترکیب پس از پخت و استراحت در دمای پایین به مدت 24 ساعت, دارای خواص مهندسی امیدوار کننده است. سنتز این محصول در شرایط هیدروترمال و در مدت زمان مشخص انجام پذیرفته است.
.1 مقدمه
دیاتومیت ها - - Diatomite ، سنگ های رسوبی متشکل از ذرات ریز و بی شکل سیلیسی می باشند که در اثر مکانیزم تجمع پوسته یا اسکلت های فسیل شده جلبک ها و گیاهان و جانوران میکروسکوپی و تک سلولی به نام دیاتومه تشکیل شده است. دیاتومیت ممکن است علاوه بر ناخالصی ها دارای 15 تا 65 درصد آب به صورت آزاد، در ساختمان خود باشد.[1-3] دیاتومیت خالص خرد شونده و از نظر خصوصیات ظاهری، شبیه به گچ است. دیاتومیت اغلب به همراه شیل، سیلت، سنگ آهک و سایر رس ها می باشد. معمولاً به رنگ سفید تا خاکستری دیده می شود. اندازه ذرات دیاتومیت از 5 تا 1000 میکرومتر تغییر میکند، ولی اندازه غالب بین 50 تا 100 میکرومتر است.
بزرگترین تولیدکنندگان دیاتومیت دنیا، ایالات متحده امریکا 33 - % - ، شوروی سابق 24 - % - ، فرانسه 12 - % - ، رومانی 2 - % - و آلمان - % 1 - می باشند. این ماده سفید رنگ، نرم، دارای قابلیت پودر شوندگی آسان و وزن مخصوص متغیری بین0/7 تا 1/15 گرم بر سانتی متر مکعب است. در ایران مهمترین نهفته های دیاتومیتی در ناحیه آذربایجان مشاهده شده است. این حوضه رسوبی در اطراف تبریز - شرق دریاچه ارومیه - بخشی از میانه ومنطقه ممقان در شمال غرب ایران و اطراف بیرجند در خراسان جنوبی که به دوره میوسن منسوب شده است؛ قرار دارد. در شکل - 1 - می توانید نمونه ای از پودر دیاتومیت موجود را ملاحظه کنید که دارای رنگ سفیدی شبیه به گچ می باشد.[4]
شکل 1 پودر دیاتومیت
بیشترین کاربرد دیاتومیت به عنوان فیلتر برای جداسازی جامدات معلق در مایع می باشد. در واقع بیش از 50 درصد از دیاتومیت را به کار می برند. کاربرد دیاتومیت در این بخش اغلب به عنوان صافی در صنایع مختلف فیلتراسیون از جمله کارخانه های قند، فیلتر کردن داروها، نوشیدنی الکلی، مایع شکر خام، آنتی بیوتیک ها، آبهای شهری، آب استخرها، آبمیوه، سوخت هواپیمای جت و... می باشد. دومین مصرف عمده دیاتومیت ها به عنوان پرکننده در صنایع ساخت رنگ، کاغذسازی و ساینده است. کاربرد دیاتومیت به عنوان پرکننده رنگ ها، جهت کنترل شفافیت و درخشش رنگ می باشد.
وجود تخلخل در دیاتومیت ها باعث شده تا از آن به عنوان عایق گرما و صدا استفاده گردد. پودر دیاتومیت به علت سطح آزاد زیاد و حجم توده ای کم می تواند بیش از 2 برابر وزن خود آب جذب کند به خاطر این خاصیت از دیاتومیت به عنوان جذب کننده آب در قالی شویی، حمل کننده های ضد آفت و همچنین در حمل و نقل مواد خطرناک مانند اسید سولفوریک و اسید فسفریک استفاده می شود. به علت شباهت دیاتومیت به سیلیکات های اپال این ماده دارای سختی مناسبی جهت ایجاد سایش ملایم بر روی سطوح فلزی می باشد. دیاتومیت در برخی موارد به عنوان منبعی برای تولید سیلیس به کار می رود.
به همین علت ما نیز در این مقاله به سنتز نانو ذرات سرامیکی سیلیسی کریستوبالیت که به روش هیدرو ترمال سنتز شده اند می پردازیم. کریستوبالیت یک پلی مورف درجه حرارت بالا و چند شکلی کم فشار سیلیس است. کریستوبالیت تثبیت شده در دمای اتاق دارای خواص مهندسی مفیدی به سبب رفتار انبساط حرارتی خطی کم آن، علاوه بر خواص دیگری مانند بی اثری شیمیایی و تراکم کمتر نسبت به سایر مواد می باشد. رفتار انبساط حرارتی کم با تغییرات خطی از وقوع تنش های حرارتی در مواد سرامیکی در طول تغییر دمای ناگهانی جلوگیری می نماید و این موضوع را در این مواد به حداقل می رساند.
این خواص مناسب آن موجب می شود که از کریستوبالیت به جای بسیاری از ترکیبات معمول در محیط های با تنش حرارتی بالا استفاده گردد. معمولا، پودر مورد نیاز برای شروع آماده سازی مواد کریستوبالیت تثبیت شده شامل سیلیس [5]، سیلیس کلوئیدی [6]، آمورف سیلیس [7]، ژل سیلیکا [8] و سل سیلیکا [9-10] می شود. یونهای اضافه شده، مانند کلسیم، سدیم، پتاسیم، مس، استرانسیم و لیتیم برای تثبیت فرم کریستوبالیت در دمای اتاق لازم است. در غیر این صورت کریستوبالیت تشکیل در دمای بالا در معرض اشکال شرایط آلفا قرار گرفته و دچار جابجایی انتقال فازی می گردد، که بین دماهای 270-170 درجه سانتیگراد رخ می دهد.
پیش از این، مواد کریستوبالیت تثبیت شده توسط سالتزبرگ1 و همکاران مورد بررسی قرار گرفته است .[11] ثبات فازی مواد کریستوبالیت و ارزیابی ریزساختاری آن تا حد زیادی توسط میزان ژل یا فرآیندهای سنتز پودری مرطوب ، سطح دوپینگ و شرایط پخت تعیین می شود. تهیه پودر کریستوبالیتی ارزان و با کارایی بالا هدف این پژوهش می باشد. دیاتومیت به عنوان ماده ای بالقوه به دلیل اینکه به طور گسترده ای در صنعت استفاده می شود به سبب مقاومت حرارتی بالا کاندید مناسبی برای سنتز کریستوبالیت است. ناخالصی دیاتومیت خام ابتدا به وسیله شسته شدن با اسید گرم خالص می شود. علاوه بر این از برخی از یونهای اضافی برای تثبیت استفاده می گردد. این مطالعه افزایش استفاده از مواد دیاتومیت درجه پایین در ساخت مواد سرامیکی با کارایی بالا برای استفاده در محیط های حرارتی را نشان می دهد.
شین و همکاران ساخت یک سرامیک SiO2 متخلخل را با استفاده از منبع چوب که توسط یک فرآیند سل- ژل انجام می گیرد را با استفاده از تمپلیت سورفاکتانت گزارش کرده اند.[12] دیویس و همکاران نیز سیلیس های مزو متخلخل منظمی را با کمک نفوذ دهی باکتری ها در یک ژل سیلیسی تولید نموده اند که دارای خواص منحصر به فرد خود می باشد . [13] کوک و همکاران دقیقا یک ساختار پروانه ای سرامیکی را با استفاده و به کارگیری روش رسوب دهی شیمیایی بخار سیلیس تکثیر نموده اند. با این حال، برای استفاده از قالب های زیستی، چگونگی کنترل منافذ شکل و توزیع اندازه آنها هنوز هم یک چالش قابل ذکر به حساب می آید.[14]
در مطالعه حاضر، سرامیک کریستوبالیت و متخلخل با استفاده از دیاتومیت به عنوان ساختار قالب طبیعی ساخته شد. در میان بسیاری از مواد که می توانند به عنوان بستر استفاده شوند؛ یعنی موادی همانند آلومینا، اکسید، رس نانو و غیره، دیاتومیت طبیعی دارای بسیاری از ویژگی های مفید نسبت به موارد دیگر است. دیاتومیت حاصل بقایای فسیل های دیاتومه ها، جلبک کوچک پلانکتون ، ساکن در تمام آب های زمین که عمدتا از سیلیس آمورف هیدراته تشکیل شده است، می باشد.
از این رو است که به عنوان یک ماده معدنی با ساختار متخلخل کم هزینه مورد توجه قرار گرفته و به آسانی بسیار توسعه یافته است که می تواند به عنوان یک فیلتر کاربردی، عایق حرارتی و کاتالیزور نیز استفاده شود-16] .[ 15 روش های مختلف مانند ترکیب، قالب ژل میکرو، هیدروترمال و روش هم رسوبی در تولید سرامیک متخلخل از دیاتومیت استفاده شده است. اگر چه آثار فوق مفید بوده و در سنتز نانو سرامیک کریستوبالیت هدف و مواد مرکب نانو کاربردی است، اما استفاده از روش های مرسوم دارای معایبی مانند نیاز به مواد افزودنی، مدت زمان طولانی برای سنتز و حضور منبع آهن است که هیچ یک از موارد زیر اقتصادی نمی باشد. با توجه به این جنبه، ما یک روش جدید برای آماده سازی یک سیلیس نانو سرامیک دیاتومیت بر اساس روش هیدروترمال را توسعه داده ایم.
