Слюду широко используют для производства разных материалов. Благодаря чешуйчатой структуре, покрытие из мелких частиц слюды приобретает перламутровый перелив или фотокаталитические свойства. Перламутровые порошки, содержащие слюду, применяют в лакокрасочной промышленности, при производстве пластмасс, бумаги, косметики и ювелирных изделий. Ученые из Кольского научного центра разработали оригинальный энергосберегающий и экологически чистый метод получения перламутрового порошка из отходов.
Минерал флогопит / ©Getty images
Большое преимущество таких порошков по сравнению с широко используемым пигментом на основе свинца – нетоксичность, термическая, световая и химическая стойкость, а еще низкая плотность. Зачастую используемый перламутровый порошок (ПП) — это композитная система, в которой ядро представляет собой микрочастицы слюды, покрытые диоксидом титана.
Такие составы более экономичны и при использовании их в строительных материалах выполняют функции фотокатализатора, способствуя самоочищению поверхности. Существует несколько технологий синтеза перламутровых пигментов: золь-гель метод, химическое осаждение из паровой фазы и гидролиз гидроксида титана.
Для производства перламутровых пигментов используются в основном мусковит (KAl2 [AlSi3O10] (OH)2) и флогопит (KMg3 (AlSi3O10) (OH)2), и иногда биотит K(Mg, Fe2+)3 (Si3Al) O10 (OH, F)2. Несмотря на достаточно многочисленные разведанные месторождения, флогопит в России добывают редко, а завозят, в частности, с Мадагаскара. Кольский полуостров — одно их мест со значительными запасами флогопитовых руд. В течение нескольких десятилетий концентрат флогопита получали на Ковдорском обогатительном комбинате в Мурманской области.
По ряду объективных причин производство было заморожено, но сейчас началась переработка хвостохранилища для получения качественного теплоизолятора. Предполагается, что количество накопленного в отвалах сырья обеспечит работу предприятия на несколько десятилетий. Одновременно будет происходить освоение территорий техногенных месторождений.
Идея реанимировать производство флогопита и на его основе выпускать товарную продукцию вполне реальна, поскольку есть рынок, а также соответствующие потребители и технологии. Использование техногенных отходов при производстве позволит значительно снизить стоимость конечного продукта и нагрузку на среду, а еще ускорить высвобождение занятых хранилищами отходов территорий. С этой точки зрения существует запрос на использование слюдяных отходов не только для получения основного продукта — теплоизолятора, но и для других видов функциональных материалов, востребованных как на российском, так и на зарубежных рынках.
Коллектив авторов из Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья имени Тананаева КНЦ РАН разработал оригинальный энергосберегающий и экологически чистый метод получения ПП, основанный на расщеплении отходов переработки минерально-слоистых материалов, в частности флогопита, с последующим электрогидролизом смеси раствора сульфата титанаи чешуйчатых частиц. Ядро получаемой композиции представляет собой наноразмерную чешуйку слюды, покрытую мезопористым диоксидом титана со структурой анатаза или рутила. Статья об этом опубликована в журнале Materials.
Поскольку частицы слюды в хвостохранилищах десятилетиями подвергались химическим и физическим воздействиям и могли изменить свои характеристики, для проработки технологии, авторы использовали для своих экспериментов только местное сырье. Частицы слюды разрушали электрохимическим методом, а затем определяли фазовый состав образцов на рентгеновском дифрактометре. Продукт представлял собой мелкодисперсный порошок, шелковистый на ощупь, с характерным перламутровым блеском.
Для покрытия чешуек использовали соль сульфата титана, которую получали из минерального концентрата титанита в электродиализной ячейке с анионообменной мембраной. Хлопья флогопита в католите служили центрами кристаллизации твердой фазы гидроксида титана, образующейся в результате электрогидролиза. Исследователи определили условия, при которых отложение происходило селективно на хлопьях, а не образовывало отдельную фазу, что могло привести к снижению блеска и ухудшить качество ПП.
Оксид титана обладает свойствами полиморфного соединения и может быть представлен как рутил, анатаз или брусит в зависимости от условий его получения. Наиболее стабильна фаза у рутила. Показатель преломления у этой фазы выше, чем у анатаза, поэтому слюда, покрытая сплошным слоем рутила, имеет сильный блеск. Однако анатаз обладает лучшими фотокаталитическими свойствами. В зависимости от требований, предъявляемых к перламутровым пигментам, для покрытия частиц слюды выбирают конкретную модификацию диоксида титана.
Наилучшие результаты достигнуты при плотности тока на электродах 0,01–0,015 А/см2 и продолжительности процесса 3–4 часа. Дальнейшая термообработка продукта электрогидролиза при 700–750 °C позволила получить покрытие из диоксида титана анатазной структуры, а при повышении температуры до 800–950 °C происходила структурная перестройка в рутил. Таким образом, можно менять свойства ПП в зависимости от температуры.
Полученные результаты продемонстрировали возможность использования техногенных отходов переработки слюд, в частности флогопита, для получения высокоэффективных функциональных продуктов стержнево-оболочечной структуры. Принципиальный интерес представляют композиции с инертным ядром (микрочастицами слюды), покрытым мезопористым диоксидом титана анатазной структуры. Этот тип покрытия обеспечивает процессы фотокатализа и самоочистки поверхности. Композиции более привлекательны с экономической точки зрения, чем чистый диоксид титана, например, TiO2 марки P25 производства Degusse.
Электродиализный метод покрытия хлопьев слюды имеет ряд преимуществ перед традиционным, основанным на термогидролизе раствора сульфата титана. Внедрение оригинального энергосберегающего метода нанесения покрытия в электродиализной ячейке одновременно решает экологические проблемы, связанные с удалением кислых стоков, и прекрасно сочетается с электрохимическим методом расщепления слюды.
