Високотемпературни Методи за синтез и промишлено производство на наноматериали 

Тази глава е посветена на основните аспекти, свързани с високотемпературния синтез на наноматериали и влиянието на приложените условията на върху изходящите характеристики на получените продукти. Съдържанието й заема 76 страници и e съставено от  52 фигури, базирани на 234 литературни източника. Тя започва с описание на най-важните сегменти, свързани с промишленото производство на всеки продукт, като комбинация от последователни етапи за превръщане на природен или рециклиран материал в продукт с желани свойства. То включва понятията за съотношението между приложените оборудване и условия на синтез и получената комбинация между състава, структурата, формата и свойствата, които следва да се притежават от получения продукт. И накрая, въвеждащата част включва четирите основни агрегатни състояния на неорганичната материя и съответните преходи между тях, като се отбелязва, че течното и твърдото състояние принадлежат към така наречената “кондензирана материя“, поради наличието на ясно дефинирана структура (т.е: пространствено подреждане на градивните честици). По-нататък, главата продължава с някои основни групи от неконвенционални методи за високотемпературен синтез, както следва:

(i) Взривни методи за производство на наноматериали, (познати като високотемпературен саморазпространяващ се синтез), включително производство на нано-диамант;

(ii) Плазмено-индуцирани методи за производство на наноматериали, включително високо и нискотемпературна плазма от газова фаза, както и плазмено електрохимично окисление (ПEO);

(iii) Методи за спрей пиролиза за производство на наноразмерни прахообразни материали и тънкослойни покрития и филми, включително възможните конфигурации на производствените инсталации и приложенията на съответните продукти;

(iv) Лазерни високотемпературни методи, включително външно и вътрешно (в обема) гравиране, както и производство на стъклени перли и влакна от стъклени тръби;

(v) Методи за синтез и отлагане на пари и газова фаза, включително вътрешни (IVPO) и външни (EVPO) методи за окисление на парната фаза и методна Fritch за растеж на кристали от метални оксиди;

(vi) Хидротермални и солвотермични методи за синтез на наноматериали при високи налягания и

(vii) синтез на наноматериали чрез високотемпературна обработка на материали, получени от зол-гелни системи. Последният раздел обобщава дефиницията на геловете като специфичен клас колоидни системи и най-важните фактори, които предопределят поведението на продуктите, получениот зол-гелни системи.

Допълнително внимание е обърнато и на всеобхатността на този вид методи за синтез, която позволява производството на органично модифицирани силикати (OrMoSil) и органично-модифицирани керамики (OrMoCer). Във всеки раздел са подчертани типичните предимства и недостатъци на съответната група от методи, както и областите на приложение на получените продукти.      

   

Библиографски данни: S. V. Kozhukharov, (2016) High temperature methods for the synthesis and industrial production of nanomaterials PUBLISHED IN: Nanofabrication using Nanomaterials, (eds. Jean Ebothé, Waqar Ahmed), Publisher: One Central Press (OCP), Manchester (UK), ISBN (eBook): 978-1-910086-15-5  

Достъп чрез:http://www.onecentralpress.com/high-temperature-methods-for-the-synthesis-and-industrial-production-of-nanomaterials/

 

Използване на отпадъчни материали в стъкларската и керамичната промишленост: налични подходи и технологични аспекти

 

     Непрекъснато нарастващото човешко население и произтичащият от това растеж на търсенето на клиенти, в съчетание с обедняване на природните източници на суровини и произтичащото от това замърсяване на околната среда налагат необходимостта от ефективно рециклиране на материалите в практически всички отрасли на промишлеността. Този факт е вдъхновил състава на настоящата глава. Той е написан на 114 страници и съдържа 56 фигури и 12 таблици. Неговото съдържание се основава на 330 литературни източника, предимно от последните години. Голяма част от цитираните материали са недостъпни за читателите на английски език, тъй като тяхното съдържание е преведено от испански, португалски, руски и български език. Съдържанието на главата впоследствие се разделя на:

1. Въведение: То съдържа основните принципи, свързани с формите на съществуване на веществото според енергийното му съдържание: (i) плазма, (ii) газообразна, (iii) течна и (iv) твърда. Освен това, той отбелязва, че появата на определени структури (като подреждане на елементарните частици в пространствата, заети от твърдото тяло) е различима характеристика на кондензираната материя. След това се описва основната разлика между стъкловидното стъкло и кристалните (керамични) твърди вещества, като се отбелязват възможните междинни (поликристални стъклокерамични) материали.
Тя завършва с описание на концептуалните основи, отнасящи се до технологиите на производството на различни материали, като взаимовръзката между използваните прекурсори, енергийни източници, методи и оборудване. Накрая се отбелязва, че всеки производствен процес, който преминава през подходящ технологичен режим, като последователност от етапите на производството и свързаните с тях процеси.

2. Синтез на стъклокерамика от селскостопански отпадъци: Тази точка акцентира върху прекурсорите на базата на въглерод, получени от изгаряне на оризови люспи и шуганово зърно, както и от летлива пепел от захарна тръстика. В допълнение, различни състави, като: SrO-Al₂O₃-Si0₂-Ti0_2, MgO-Al₂O₃-SiO₂ и Al₂O₃-MgO-Na₂O-B₂O₃, както и добавки като Fe₂O₃, P₂O₅, MnO, ZnCl₂ или NaCl. Освен възможността за прецизен контрол на порьозността чрез предварително импрегниране с тези активатори се споменава и благоприятният ефект на повърхностноактивните вещества като диоктилфталат или поливинилов алкохол.

3. Разширено производство на керамика от пепел и утайка от отпадъчни води: Тази точка започва с описание на системата Mg-Al-Si-O (т.е. периклаз, корунд, кристобалит), която дава възможност за производство на тротоарни плочи, строителни тухли или водни филтри. Тя продължава с примери за по-нататъшно усъвършенстване на тази система чрез добавяне на Ti0₂, La₂0₃, CeО₂, Y₂О₃ и ZrО₂. Освен това се обръща специално внимание на Bi-съдържащата керамика, показваща различни състави, като свръхпроводниците Bi₂Sr₂Ca _1-X Ce_XCu₃O_y. Споменат е и пример за стъкло с увеличена механична якост, дължаща се на едновременното наличие на кварц (SiO₂), анортит (CaAl₂Si₂O₈) и хематит (Fe₂O₃).
Получаването на други фази, като норбергит (Mg₃ (SiO₄) (F, OH) ₂) флогопит (KMg₃AlSi₃O₁₀(F,OH)₂), селаит (MgF₂), витлокит (Ca₉P₆O₂₄), магнетит (Fe₃O₄), хематит (Fe₂O₃)р както и  авгит (Ca, Na) (Mg, Fe, Al, Ti) (Si, Al)₂O₆ и паргатитни NaCa₂(Mg₄Al) (Si₆Al₂)O₂₂(OH)₂ фракции.
От друга страна са представени и технологични подходи като съ-утаяване и хидротермален синтез.

4. Производство на стъклокерамични материали от отпадъци от ТЕЦ: Тъй като пепелта от въглища от топлоелектрическите централи също е значителен потенциален източник на стъклокерамични прекурсори с надеждна възпроизводимост на химичния състав, тя също е обект на особен интерес. Този параграф започва с нейния многокомпонентен състав, който се състои от: SiO₂, Al₂O₃, CaO, Na₂O, K₂O, Fe₂O₃, TiO₂, P₂O₅, MnO и др. Възможността за подобряване на качеството на продукта чрез добавяне на B₂O₃, BaO, Sb₂O₃, V₂O₅ и даже метален алуминий, споменават се и обогатената летяща пепел и боксит.
От друга страна, се отбелязва и производството на геополимери, основано на отгряване на каолина и използването на летяща пепел. Източници за използване на полистирол, AA7075 отпадъци от самолетни сплави, пластмасови отпадъци, автомобилни гуми, остатъчна хартиена маса, остатъци от ферментори и биореактори, както и шлаки от градски отпадъчни води са споменати като източници на значителни количества пепел.
От друга страна, се посочва, че основният недостатък на изгарянето на органични отпадъци, свързан с изхвърлянето на замърсяващи емисии, може да бъде преодолян чрез допълнително изгаряне в твърдооксидни горивни клетки (SOFC), произвеждащи допълнителна енергия, като се набляга на факта, че те също може да се разглаждат като многослойни керамични системи.

5. Производството на стъклокерамични материали от металургичния сектор: В този раздел се разглежда металургията като  изключителен източник на летяща пепел. i) флотационни клетки за обогатяване на руда; ii) доменни пещи; iii) електродъгови пещи; iv) шлака, отстранена от повърхностния оксид; и v) различни скрап материали и т.н. Този раздел е разделен на две части:

5.1. Производство на стъклокерамични материали от отпъдъци от алуминиевата металургия: Започва със просто обясненине на функцията на електродъговите пещи. По-нататък, заедно с примери, като мулит (3Al₂O₃.2SiO₂ или 2Al₂O₃.SiO₂), анортит (CaAl₂Si₂O₈); [(CO₃) 2 | Al₆Si₆O₂₄] • 2H₂O, специално внимание насочено към зеолитите като специален клас геополимери. От друга страна, са дадени алтернативни произвоствени методи като изостатичното пресоване и зол-гел метода. Многофункционалността на зол-гелната методология е представена с примери от последните години за приложения на синтезирането на: устойчиви корозионно-защитни покрития, материали и компоненти за сензорни елементи, компоненти и алтернативни енергийни източници, оптични материали,  керамични филтри за пречистване на въздух и вода, възстановяване на околната среда , медицински приложения и т.н.
Този раздел завършва с оползотворяване на SO3, след синтезиране на гипс, за производство на сярна киселина.

5.2. Използване на отпадъци от индустриалния сектор на желязото и стоманата: Стоманодобивната промишленост е значителен производител на желязо и други метали, съдържащи минерали (обикновено оксиди), които могат успешно да се прилагат в стъкларската и керамичната промишлености. След кратко описание на функцията на доменните пещи, този раздел представя примери като магнетит (Fe₃O₄), феалит (Fe₂SiO₄) и пироксен (т.е. частично заместени алумосиликати), девитрит (Na₂Ca₃Si₆O₁₆), кристобалит (SiO₂) или хематит (Fe₂O₃) , като потенциални прекурсори.

6. Рециклиране на стъклокерамични промишлени остатъци: Този раздел описва възможностите за използване на отпадъци от стъкло / керамика или бракувана продукция в стъкларски и керамични инсталации. Той описва някои класически методи като смилане в топкови мелници и дори производство на нано-частици чрез дискови мелници, както и някои алтернативни подходи, като производство на стъклени перли чрез разпръскване на стопилка от стъклени отпадъци. Показани са и възможностите за разделяне на частици с фини размери чрез хидроциклони и разпрашително сушене. Дадени са и примери за силно порести декоративни стъклени тухли, като е наблегнато на контрола на цвета чрез добавяне на Ca (бяло), Co (синьо), Cr (зелено) и Fe (червено) съединения.

7. Стъклокерамични материали от отработени катализатори: Особено внимание се обръща на използването на катализатори от петролните рафинерии. Множество възможни състави, като: Mg₂TiO₄, Zn₂TiO₄, Co₂TiO₄, Ni₂TiO₄, Cu₂TiO₄; MgAl₂O₄, Mg₃CeO₄, MgCr_1.2Al_0.4Fe_0.4O₄, MgCr_1.6Al_0.4O₄, MgAl₂О₄, MgCr₂О₄, FeCr₂О₄, FeFe₂О₄, както и твърди разтвори (Mg, Fe) (Al, Ti, Cr, Fe)₂О₄ са дадени като примери за керамични пигменти от отпадъчни катализатори. Особено внимание е обърнато на CIE L *, a*, b* и RGB системите за оценка на цветовете, поради тяхното значение за характеризиране на пигмента.

 

Библиографски данни: Stephan Kozhukharov, Tzvetan Dimitrov, Ester Barrachina Albert, Iván Calvet Roures, Diego Fraga Chiva and Juan Bautísta Carda Castelló, The Utilization of Waste Materials in the Glass and Ceramics Industries: Available Approaches and Technological Aspects, PUBLISHED IN: Recycling and Reuse of Materials, Marcus Holst, and Tilde Kjeldsen, Eds.; NOVA Sci. Publ. (2018) pp. 101-166; ISBN: 978-1-53613-466-4  

Достъп чрез: https://novapublishers.com/shop/recycling-and-reuse-of-materials/

 

Спрей пиролизата, като всеобхватен метод за промишлено производство на авангардни материали. Основни концепции и възможни приложения  

 

 

Тази глава е посветена на литературен анализ на съвременните аспекти в областта на спрей пиролизните производствени методи, изискванията към съответното оборудване и разнообразието на получените съвременни материали. Тя е написана на 165 страници и съдържа 21 фигури, 1 таблица и 255 литературни източника. Описани са и основна терминология и принципи, свързани с спрей пиролизата като индустриално-технологичен метод. Съдържанието е разделено на няколко раздела, свързани последователно помежду си. Главата започва с основните дефиниции, свързани със SPS-синтеза на наночастици и SPD-отлагането на тънки слоеве, като ги отличава от останалите спрей базирани методи, като спрейзамразяване, разпрашително сушене и др. Описанието на съответните производствениетапи и процеси е подкрепено от реални примери. В последствие са описвани съответните устройства, като се отбелязва принцинната разлика между дюзите, пулверизаторите, инжекторите и атомизаторите. В допълнение, конвенционалната SP техника се сравнява с пламъчни (FASP) и плазмени (PASP) спрей пиролизни методи, съобразно типа на високотемпературните камери. Описанието на основните производствени звена завършва с примери за цалостни производствени инсталации, работещи в непрекъснат режим. Разясненията са основани на реални примери за синтез на бисмутов ферит, бариев титанат и индиево-калаен оксид и въглеродни нанотръбички. Тези материали бяха избрани поради изключителните им магнитни, фотокаталитични и опто-електрически свойства. Многообразието на продуктите SP също е отбелязано, описвайки тяхното потенциално приложение при:

(i) Автоматика (например, сензори и детектори),

(ii) Оптоелектроника и микроелектроника (полупроводникови и свръхпроводящи слоеве и частици),

(iii) Алтернативни енергийни системи (фотоволтаици, компоненти за горивни клетки, водни електролизьори, суперкондензатори, литиево-йонни и цинково-въздушни батерии),

(iv) Катализатори и фотокатализатори;

(v) Адсорбционни и мембранни филтри

(vi) Материали за дезинфекция и др. Освен това са описани някои алтернативи, като например SprayFreezing (SF), SprayDrying (SD) плуверизация на стопилки (FS) и InkJet метода.

Главата включва всички аспекти, свързани с характеристиките на метода, свойствата на съответните продукти и тяхното практическо приложение. Целта за нейното съставяне е да бъде ценна както за лекционни курсове, така и като практическо ръководство за експертите в тази област.

Библиографски данни: S. Kozhukharov, V. Zhelev, S. Tchaoushev, Chapter 3: Spray Pyrolysis as a Versatile Method for Advanced Materials Production. Basic Concepts and Available Applications,  Publisdhed in: Advances in Materials Science Research Vol. 37, Maryann Wythers Ed.; NOVA Sci. Publ. (2019) pp. 101-166; ISBN: 978-1-53615-038-4  

Достъп чрез: https://novapublishers.com/shop/advances-in-materials-science-research-volume-37/