اکسید منیزیم یکی از مهم ترین موادی است که برای تولید مواد نسوز اساسی استفاده می‌شود که برای کوره های فولاد آستری و آهن و همچنین کوره‌های سیمان کاربرد دارد.
در این تحقیق از آب دریا اکسید منیزیم تولید شد که به جای سنگ کربنات منیزیم دارای درصد موثر هیدروکسید منیزیم بود. این فرآیند با افزودن مواد افزودنی شامل آلومینا بالا، اکسید آهن، فسفات سدیم و سیلیکات سدیم برای کاهش دمای پخت به 1400 درجه سانتیگراد به جای 1750 درجه سانتیگراد انجام شده است.
علاوه بر این، برای انجام فرآیند پخت به جای کوره دوار از کوره‌ی مشتعل استفاده شد. نتایج نشان می‌دهد که امکان تولید اکسید منیزیم با خلوص 56 درصد وجود دارد.
در دمای کمتر از 1600 درجه سانتی گراد پایدار است و در برابر رطوبت و آب مقاوم است. فرآیند تولید اکسید منیزیم را می‌توان به عنوان یک فرآیند تولید پایدار به دلیل اعمال دمای تف جوشی پایین‌تر در نظر گرفت که منجر به کاهش هزینه، انرژی و آلودگی می‌شود.
پیش درآمدی بر فرآیند تولید اکسید منیزیم از آب دریا
مواد نسوز به عنوان یک ماده مقاوم در برابر حرارت تعریف می‌شود که برای مقاومت در برابر تجزیه توسط گرما و فشار، مقاومت در برابر حمله شیمیایی و دمای بالا طراحی شده است.
معمولاً از مواد سرامیکی و معدنی تشکیل شده است. علاوه بر این، آنها طبق ASTM C71 به عنوان مواد غیر فلزی دارای خواص شیمیایی و فیزیکی هستند که آنها را برای سازه‌ها قابل استفاده هستند، یا به عنوان اجزای سیستم‌هایی که در معرض محیط‌های بالاتر از 538 درجه سانتیگراد قرار دارند.
مواد نسوز را می‌توان به دیرگدازهای اسیدی مانند آلومینا، سیلیس و خاک نسوز، مواد نسوز اساسی مانند منیزیت و دولومیت و مواد نسوز خنثی مانند کربن، کاربید سیلیکون، کرومیت و زیرکونیا طبقه‌بندی کرد. مواد نسوز برای پوشش سطوح داغ برای بسیاری از فرآیندهای صنعتی مانند کوره‌ها، راکتورها و غیره استفاده می‌شود.
امروزه 70 درصد از کل مواد نسوز برای کاربرد در صنعت آهن و فولاد و بخش‌های ریخته‌گری فلزات تولید می‌شود. باید از نظر شیمیایی و فیزیکی در دمای بالا پایدار بوده و در برابر شوک حرارتی مقاوم باشد.
اکسید منیزیم مهمترین مواد نسوز اساسی است که می‌توان آن را به عنوان ترکیب صنعتی منیزیم در نظر گرفت که در صنایع فولاد و آهن استفاده می‌شود.
علاوه بر این، تا حد زیادی در بسیاری از بخش‌های صنعتی دیگر مانند صنایع غذایی و خوراک دام استفاده می‌شود. اکسید منیزیم را می‌توان هم از کربنات منیزیم طبیعی و هم از منیزیم مصنوعی به صورت کلرید منیزیم از آب دریا و آب نمک تولید کرد.
فرآیند تولید شامل تجزیه MgCO3 به MgO و CO2 به عنوان گاز است. با این حال، مگنزیت آب دریا توسط فرآیند شیمیایی منیزیم (OH)2 ساخته شده است. کل منیزیم نسوز مورد استفاده در بریتانیا، ایالات متحده آمریکا و ژاپن از گیاهان منیزیت آب دریا می‌آید.
مواد نسوز معمولاً به صورت لامپ با دماهای مختلف در محدوده 600 تا 2000 درجه سانتیگراد زینتر می‌شوند. اولین نوع اکسید منیزیم در دماهای بین 1500 تا 2000 درجه سانتیگراد به عنوان اکسید منیزیم سوخته مرده تولید می‌شود که به طور گسترده در تولید فولاد استفاده می‌شود و به عنوان پوشش محافظ و قابل تعویض برای تجهیزات مورد استفاده برای رسیدگی به فولاد مذاب استفاده می‌شود.
نوع دوم اکسید منیزیم که در دماهای 1000 تا 1500 درجه سانتیگراد به صورت سخت سوخته تولید می‌شود که معمولاً در کاربردهایی استفاده می‌شود که در آن تجزیه آهسته یا واکنش شیمیایی با خوراک دام و کود مورد نیاز است.
درجه سوم اکسید منیزیم با کلسینه کردن در دمای 600 تا 1000 درجه سانتی گراد به عنوان منیزیم سوزاننده یا سوزاننده تولید می‌شود که در پلاستیک، لاستیک، کاغذ و پردازش خمیر کاغذ، افزودنی‌های دیگ‌های فولادی، چسب‌ها و خنثی‌سازی اسید استفاده می‌شود.
انواع مختلفی از اکسید منیزیم با استفاده از روش خشک تولید می‌شود، مانند منیزیم سوخته مرده، منیزیم کلسینه سوز آور و منیزیم ذوب شده. تولید اکسید منیزیم انرژی زیادی مصرف می‌کند زیرا در دماهای بسیار بالا تولید می‌شود که (6 و 12) GJ/t اکسید منیزیم مصرف می‌شود.
پیلارسکا و همکاران، تأثیر نوع و غلظت اصلاح‌کننده‌ها را بر ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی و عملکردی هیدروکسید منیزیم که از رسوب‌گیری از سولفات منیزیم و دی‌اکسید سدیم به‌دست می‌آید که در دمای 450 درجه سانتیگراد با کلسینه کردن اکسید منیزیم در معرض تجزیه حرارتی قرار می‌گیرد، مطالعه کرده‌اند. نتایج نشان می‌دهد که وجود یک اصلاح‌کننده تغییری در ساختار کریستالی محصولات ایجاد نکرده است.
J. Chen و همکاران، تأثیر استفاده از آماده سازی هیدروکسید منیزیم کروی را مطالعه کرده بودند که می‌تواند با موفقیت توسط سولفات منیزیم، آب آمونیاک و محلول هیدروکسید سدیم به دست آید. نتایج نشان می‌دهد که محصولات به دست آمده با سطح صاف و درصد SO4 کاهش می‌یابد.
Z. Xing و همکاران، مدل سینتیک شیمیایی واکنش هیدراتاسیون با اکسید منیزیم فعال مختلف را تحت شرایط غیر اجباری و اولتراسونیک بررسی کردند. نتایج نشان داد که ترتیب سرعت هیدراتاسیون در فرآیند هیدراتاسیون تحت شرایط غیر اجباری متفاوت است.
2. کار تجربی
2.1 مواد
از هیدروکسید منیزیم تهیه شده از آب دریا برای تولید اکسید منیزیم استفاده شده است. این ماده با فسفات سدیم، اکسید آهن، سیلیکات سدیم و اکسید آلومینیوم به عنوان ماده افزودنی برای کاهش دمای پخت مخلوط شد. جداول 6-1 مشخصات شیمیایی و فیزیکی اصلی هیدروکسید منیزیم و افزودنی‌های آن را نشان می‌دهد.
جدول 1: مشخصات هیدروکسید منیزیم
| نماد شیمیایی | درصد خلوص | درصد CaO | رنگ | چگالی (گرم بر سانتی‌متر مکعب) | شکل |
|---|---|---|---|---|---|
| Mg(OH)₂ | 85% | 3% | سفید | 0.9 | پودر ریز |
جدول 2: مشخصات تری سدیم فسفات
| نماد شیمیایی | درصد خلوص | رنگ | درصد انحلال در آب | PH | شکل |
|---|---|---|---|---|---|
| Na₃PO₄.H₂O | 92% | سفید | 42% | 11.8 | پودر ریز |
جدول 3: مشخصات اکسید آهن
| نماد شیمیایی | درصد خلوص | درصد Fe | رنگ | شکل |
|---|---|---|---|---|
| Fe₂O₃ | 100% | 68% | قرمز | پودر ریز |
جدول 4: مشخصات هگزا متا فسفات
| نماد شیمیایی | درصد P₂O₅ | درصد Fe | درصد انحلال‌پذیری | رنگ | PH | چگالی (گرم بر سانتی‌متر مکعب) | شکل |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Na₃(PO₃)₆ | 68% | 68% | 5% | قرمز | 7.5 | 1.4 | پودر ریز |
جدول 5: مشخصات سیلیکات سدیم
| نماد شیمیایی | درصد SiO₂ | درصد Na₂O | درصد H₂O | چگالی (گرم بر سانتی‌متر مکعب) | شکل |
|---|---|---|---|---|---|
| Na₂SiO₃ | 37.5% | 12.5% | 50% | 1.5 | مایع |
توضیح: سیلیکات سدیم یک ترکیب شیمیایی است که به شکل مایع بوده و در آن درصد قابل توجهی سیلیسیم دی اکسید، سدیم اکسید و آب وجود دارد.
جدول 6: مشخصات اکسید آلومینیوم
| نماد شیمیایی | درصد خلوص | درصد SiO₂ | درصد (CaO+MgO) | درصد Fe₂O₃ | شکل |
|---|---|---|---|---|---|
| Al₂O₃ | 57% | 37% | 2% | 2.5% | پودر ریز |
2.2 روش تولید
این روش با مخلوط کردن هیدروکسید منیزیم با مواد افزودنی با استفاده از همزن مکانیکی برای به دست آوردن یک مخلوط همگن خوب آغاز شد. آب اضافه شد تا مخلوط خوبی برای همه مواد باشد.
جدول 7 کار آزمایشی اصلی انجام شده در آزمایشگاه برای تهیه نمونه‌های استوانه‌ای با قطر 40 میلی‌متر و طول 10 میلی‌متر را نشان می‌دهد. نمونه‌ها با فشار دادن مواد اختلاط در پرس هیدرولیک با فشار 40 تن تهیه شد. سپس نمونه‌ها در کوره‌ای با دمای 1300 تا 1500 درجه سانتیگراد سوختند.
پس از آن بهترین درصد اختلاط مطابق جدول 8 تعیین شد که برای تولید مقادیر بالای اکسید منیزیم در کارخانه دیرگداز استفاده می‌شود. علاوه بر این، مقدار مواد اختلاط مورد استفاده در کارخانه دیرگداز در جدول 9 نشان داده شده است.
اختلاط موادی که پس از اختلاط به مقدار 1562 کیلوگرم بدست می‌آیند، در ابتدا توسط کوره کوره‌ای با دمای تا 600 درجه سانتیگراد سوزانده شد.
سپس توسط پرس هیدرولیک با فشار 50 بار فشار دهید تا بلوک سبز رنگ برای جابجایی و حمل و نقل آسان ایجاد شود. سپس بلوک‌های پرس در همان کوره با دمای 1400 درجه سانتیگراد به مدت 72 ساعت سوزانده شدند و به تدریج در همان کوره با سرعت کاهش 25 درجه سانتیگراد در ساعت به مدت 48 ساعت سرد شدند.
بنابراین مجموع مدت زمان لازم برای اولین سوزاندن 120 ساعت است. مقدار حاصل از این سوخته 893 کیلوگرم با افت اشتعال معادل 43 درصد است.
مقدار سوخته‌ای که از اولین سوختگی بدست می‌آید به پودر ریز تبدیل شده و دوباره با 5% سیلیکات سدیم مایع، 5% فسفات سدیم و 5% آب مخلوط می‌شود تا با فشار دادن با فشار 150 بار به شکل بلوک سبز رنگ در آید. بلوک‌های حاصل به مدت 120 ساعت مانند اولین روش سوخته خشک شده و سوزانده می‌شوند تا محصول نهایی اکسید منیزیم به دست آید.
جدول 7. کارهای آزمایشی اصلی در آزمایشگاه برای تهیه اکسید منیزیم
| آزمایش شماره | درصد Mg(OH)₂ | درصد Na₃(PO₃)₆ یا Na₃PO₄.H₂O | درصد Al₂O₃ | درصد Fe₂O₃ | درصد Na₂SiO₃ | درصد H₂O | دما (درجه سانتیگراد) | زمان پخت (ساعت) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 90 | 10 | – | – | – | – | 1250 | 18 |
| 2 | 70 | 30 | – | – | – | – | 1250 | 18 |
| 3 | 50 | 50 | – | – | – | – | 1250 | 18 |
| 4 | 30 | 70 | – | – | – | – | 1250 | 18 |
| 5 | 85 | 15 | – | – | – | – | 1250 | 18 |
| 6 | 85 | 15 | 5 | 5 | – | – | 1250 | 18 |
| 7 | 77 | 13 | 5 | 10 | – | – | 1250 | 18 |
| 8 | 75 | 15 | – | 10 | – | – | 1250 | 18 |
| 9 | 75 | 15 | – | 10 | – | – | 1250 | 18 |
| 10 | 70 | 15 | 5 | 5 | 5 | 5 | 1250 | 18 |
| 11 | 70 | 15 | 10 | 5 | – | 10 | 1250 | 240 |
جدول 8: بهترین درصد اختلاط مواد برای تهیه اکسید منیزیم در آزمایشگاه
| آزمایش شماره | درصد Mg(OH)₂ | درصد Na₃(PO₃)₆ یا Na₃PO₄.H₂O | درصد Al₂O₃ | درصد Fe₂O₃ | درصد Na₂SiO₃ | درصد H₂O | دما (درجه سانتیگراد) | زمان پخت (ساعت) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 70 | 15 | 5 | 5 | 5 | 5 | 1250 | 18 |
| 2 | 70 | 15 | 10 | 5 | – | 10 | 1250 | 240 |
این جدول نشان می‌دهد که برای تولید اکسید منیزیم در آزمایشگاه، چه نسبت‌هایی از مواد مختلف بهترین نتیجه را داده‌اند.
-
ستون‌های جدول:
- آزمایش شماره: شماره هر آزمایش
- درصد Mg(OH)₂: درصد هیدروکسید منیزیم استفاده شده در هر آزمایش
- درصد Na₃(PO₃)₆ یا Na₃PO₄.H₂O: درصد فسفات سدیم استفاده شده در هر آزمایش (دو نوع فسفات سدیم متفاوت در آزمایش‌ها استفاده شده است)
- درصد Al₂O₃: درصد اکسید آلومینیوم استفاده شده در هر آزمایش
- درصد Fe₂O₃: درصد اکسید آهن استفاده شده در هر آزمایش
- درصد Na₂SiO₃: درصد سیلیکات سدیم استفاده شده در هر آزمایش
- درصد H₂O: درصد آب استفاده شده در هر آزمایش
- دما (درجه سانتیگراد): دمایی که مواد در آن حرارت داده شده‌اند
- زمان پخت (ساعت): مدت زمانی که مواد در دما مشخص حرارت داده شده‌اند
جدول 9: مقدار مواد اولیه استفاده شده در آزمایش اصلی تهیه اکسید منیزیم
| مواد | مقدار (کیلوگرم) |
|---|---|
| Mg(OH)₂ | 1130 |
| Na₃PO₄.H₂O | 163 |
| Al₂O₃ | 95 |
| Fe₂O₃ | 50 |
| Na₂SiO₃ | 50 |
| H₂O | 5% |
این جدول مقدار دقیق مواد اولیه‌ای که در آزمایش اصلی استفاده شده‌اند را نشان می‌دهد.
-
ستون‌های جدول:
- مواد: نام هر ماده اولیه
- مقدار (کیلوگرم): مقدار هر ماده اولیه به کیلوگرم
3. نتایج و بحث
3.1 ترکیب شیمیایی
تجزیه و تحلیل شیمیایی اکسید منیزیم نهایی تولید شده در این کار در جدول 10 نشان داده شده است. مشخص شده است که درصد اکسید منیزیم با افزایش تعداد سوختگی‌ها افزایش می‌یابد.
درصد اکسید منیزیم پس از سوزاندن اول با دمای 1400 درجه سانتیگراد به مدت 120 ساعت 43 درصد و پس از سوزاندن دوم در دمای 1400 درجه سانتیگراد به مدت 240 ساعت 56-58 درصد است در حالی که اکسید کلسیم کمتر از 13 درصد است. از اکسید آلومینیوم، فسفات سدیم و سیلیکات سدیم به عنوان مواد چسبنده برای به دست آوردن چسب خوب بین پودرها استفاده شد.
جدول 10: ترکیب شیمیایی اکسید منیزیم تولید شده در این پژوهش
این جدول نتایج آنالیز شیمیایی اکسید منیزیمی که در یک پژوهش تولید شده است را نشان می‌دهد.
| شماره پخت | زمان پخت (ساعت) | درصد MgO | درصد R₂O₃ | درصد SiO₂ | درصد CaO | درصد SO₃ | مجموع درصد |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 120 | 43 | 19 | 2.56 | 9.53 | 1.54 | 99.42 |
| 2 | 240 | 56 | 23 | 4.45 | 12.79 | 1.83 | 99.091 |
| 3 | 240 | 59 | 27 | 1.31 | 10.65 | 1.95 | 99.37 |
توضیح ستون‌ها:
- شماره پخت: شماره هر آزمایش یا پخت
- زمان پخت (ساعت): مدت زمانی که مواد در کوره یا دستگاه پخت حرارت داده شده‌اند.
- درصد MgO: درصد اکسید منیزیم (ماده اصلی) در نمونه
- درصد R₂O₃: درصد اکسیدهای فلزی (معمولاً آلومینا (Al₂O₃) و اکسید آهن (Fe₂O₃)) به عنوان ناخالصی
- درصد SiO₂: درصد سیلیس (سیلیکون دی اکسید) به عنوان ناخالصی
- درصد CaO: درصد آهک (کلسیم اکسید) به عنوان ناخالصی
- درصد SO₃: درصد سولفور تری اکسید به عنوان ناخالصی
- مجموع درصد: مجموع درصد همه اجزای موجود در نمونه
3.2 از دست دادن اشتعال
اکسیدهای منیزیم تولید شده در آزمایشگاه و کارخانه برای تعیین میزان اشتعال آنها ارزیابی شد. نتایج نشان می‌دهد که اتلاف اشتعال برای نمونه‌های آزمایشگاهی برابر با 38 درصد با انقباض 13.5 درصد در ابعاد است، در حالی که برای نمونه‌های کارخانه ای برابر با 24 درصد برای اولین سوختگی و 0.12 درصد برای سوختگی نهایی مطابق جدول 11 است.
جدول 11: کاهش وزن بر اثر حرارت برای اکسید منیزیم تولید شده در این پژوهش
این جدول میزان کاهش وزن نمونه‌های اکسید منیزیم تولید شده در آزمایشگاه را پس از حرارت دادن نشان می‌دهد. این کاهش وزن معمولاً به دلیل از دست دادن آب، دی اکسید کربن یا سایر مواد فرار است.
| شماره پخت | زمان پخت (ساعت) | کاهش وزن بر اثر حرارت (%) |
|---|---|---|
| 1 | 120 | 24 |
| 2 | 240 | 0.37 |
| 3 | 240 | 0.12 |
توضیح ستون‌ها:
- شماره پخت: شماره هر آزمایش یا پخت
- زمان پخت (ساعت): مدت زمانی که نمونه‌ها در کوره یا دستگاه پخت حرارت داده شده‌اند.
- کاهش وزن بر اثر حرارت (%): درصد کاهش وزن نمونه نسبت به وزن اولیه پس از حرارت دادن.
3.3 دمای تَف‌جوشی یا زینترینگ
از مواد افزودنی برای کاهش دمای تف جوشی هیدروکسید منیزیم به 1400 درجه به جای 1750 درجه سانتی گراد با استفاده از کوره کوره به جای کوره دوار برای کاهش ضایعات مواد استفاده شد.
نتایج اصلی این تحقیق شامل امکان تولید اکسید منیزیم با خلوص 56 درصد از آب دریا با استفاده از کوره‌ی مشتعل به جای کوره دوار به منظور کاهش ضایعات مواد و دمای 1400 درجه سانتی گراد به جای 1750 درجه سانتی گراد برای کاهش می‌باشد.
انرژی و آلودگی همچنین حداکثر زمان لازم برای تولید منیزیت سوخته مرده 240 ساعت با استفاده از دو مرحله سوختن است. علاوه بر این، مواد افزودنی به کاهش دمای پخت به 1400 درجه سانتیگراد به جای 1750 درجه سانتیگراد کمک می‌کنند. در نهایت اکسید منیزیم تولید شده در این کار می‌تواند دمای بالا تا 1600 درجه سانتی گراد و رطوبت بالا را تحمل کند.
سخن پایانی
جهت خرید اکسید منیزیم به همراه آنالیز و برگه سلامت، با کارشناسان فروش شرکت بهبود شیمی در تماس باشید.
منبع:
- https://iopscience.iop.org/
