Bulletin of Belgorod State Technological University named after. V. G. Shukhov Bulletin of Belgorod State Technological University named after. V. G. Shukhov Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова 2071-7318 42397 10.34031/2071-7318-2021-6-3-97-106 Химическая технология Chemical technology Химическая технология THE STUDY OF DEHYDRATION OF COLEMANITE IN NON-ISOTHERMAL CONDITIONS ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕГИДРАТАЦИИ КОЛЕМАНИТА В НЕИЗОТЕРМИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ Бессмертный В. С. Bessmertnyy V. S. vbessmertnyi@mail.ru

доктор технических наук;

doctor of technical sciences;

 Бондаренко М. А. Bondarenko M. A. slaviki1@yandex.ru Пучка О. В. Puchka O. V.

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

 Черкасов А. В. Cherkasov A. V. andrey.bstu@mail.ru

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

 Изотова И. А. Izotova I. A. Брагина В. С. Bragina V. S. Платов Ю. Т. Platov Y. T. Брагина Л. Л. Bragina Lyudmila Lazarevna

доктор технических наук;

doctor of technical sciences;

 Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова RU Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov RU Белгородский университет кооперации, экономики и права Belgorod University of Cooperation, Economics and Law Старооскольский технологический институт им. А. А. Угарова (филиал) Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» Stary Oskol Technological Institute after A. A. Ugarov, National University of Science and Technology “MISiS” branch Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова Белгород Россия Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова Белгород Russian Federation Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова Белгород Россия Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov Belgorod Russian Federation Белгородский государственный технологический университет им В.Г. Шухова Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова Белгород Россия Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov Belgorod Russian Federation Российский экономический университет им. Г.В. Плеханова Москва Россия Plekhanov Russian University of Economics Moscow Russian Federation Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт» National Technical University «Kharkov Polytechnic Institute» 6 3 97 106 https://zh-szf.ru/en/nauka/article/42397/view

Исследованы закономерности дегидратации колеманита в неизотермических условиях. Установлено, что колеманит, поставляемый в РФ из Турции, имеет в своем составе кальцит. С использованием рентгенофлуоресцентного метода анализа установлен химический состав колеманита. Показано, что процессы дегидратации колеманита в неизотермических условиях при скорости нагрева 10 °С/мин сопровождаются двумя эндотермическими эффектами при 660,7 К и 675,7 К с общей потерей массы 17,3 %. Так же исследована скорость потери массы колеманита от температуры при нагреве до 773 К, при которой колеманит дегидратирует и переходит в аморфную фазу. Установлены закономерности изменения скорости дегидратации колеманита. Показано, что максимальные значения скорости дегидратации колеманита наблюдаются в интервале температур 653-678 К. Определена энергия активации дегидратации колеманита, равная 86000 Дж/моль. На основе экспериментально полученных данных рассчитана константа скорости процесса дегидратации колеманита. Процесс дегидратации колеманита удовлетворительно описывается формальным уравнением кинетики. Большая часть кинетической кривой удовлетворительно описывается полученным кинетическим уравнением. Предложено механизм дегидратации колеманита описывать двухстадийным процессом, сопровождающимся на первом этапе удалением кристаллизационной воды, а на втором этапе – удалением гидроксильных групп.

The regularities of colemanite dehydration under non-isothermal conditions are investigated. It is established that colemanite, supplied to the Russian Federation from Turkey, has calcite in its composition. The chemical composition of colemanite is determined using the X-ray fluorescence analysis method. It is shown that the processes of dehydration of colemanite under non-isothermal conditions at a heating rate of 10 °С / min are accompanied by two endothermic effects at 660,7 K and 675,7 K with a total mass loss of 17,3 %. The rate of mass loss of colemanite from the temperature at heating up to 773 K, at which colemanite dehydrates and passes into the amorphous phase, is also studied. The regularities of changes in the rate of dehydration of colemanite are established. It is shown that the maximum values of the dehydration rate of colemanite are observed in the temperature range of 653–678 K. The activation energy of colemanite dehydration is determined to be 86,000 J/mol. Based on the experimentally obtained data, the rate constant of the colemanite dehydration process is calculated. The process of dehydration of colemanite is adequately described by the formal equation of kinetics. Most of the kinetic curve is adequately described by the resulting kinetic equation. It is proposed to describe the mechanism of dehydration of colemanite by a two-stage process, accompanied at the first stage by the removal of crystallization water, and at the second stage-by the removal of hydroxyl groups

 колеманит дегидратация неизотермические условия энергия активации эндотермические эффекты кинетическое уравнение colemanite dehydration non-isothermal conditions activation energy endothermic effects kinetic equation

Жерновая Н.Ф., Дороганов Е.А., Бессмертный В.С., Дорохова Е.С., Жерновой Ф.Е. Стеклокерамический композит с мультифункциональной колеманитной добавкой // Перспективные материалы. 2016. №5. С. 51-58. Zhernovaya N.F., Doroganov E.A., Bessmertny V.S., Dorokhova E.S., Zhernovoy F.E. Glass-ceramic composite with multifunctional colemanite additive [Steklokeramicheskiy kompozit s mul'tifunktsional'noy kolemanitnoy dobavkoy]. Perspective materials. 2016. No. 5. Pp. 51-58. (rus) Жерновая Н.Ф., Бессмертный В.С., Жерновой Ф.Е., Дорохова Е.С., Изотова И.А. Безусадочный облицовочный материал на основе стеклобоя и колеманита // Стекло и керамика. 2016. №3. С. 34-37. Zhernovaya N.F., Bessmertny V.S., Zhernovoy F.E., Dorokhova E.S., Izotova I.A. Non-shrink facing material based on cullet and colemanite [Bezusadochnyy oblitsovochnyy material na osnove stekloboya i kolemanita]. Glass and Ceramics. 2016. No. 3. Pp. 34-37. (rus) Дорохова Е.С., Жерновая Н.Ф., Бессмертный В.С., Жерновой Ф.Е., Тарасова Е.Е. Управление структурой пористого стеклокерамического материала // Стекло и керамика. 2017. №3. С. 28-31. Dorokhova E.S., Zhernovaya N.F., Bessmertny V.S., Zhernovoy F.E., Tarasova E.E. Management of the structure of a porous glass-ceramic material [Upravlenie strukturoy poristogo steklokeramicheskogo materiala]. Glass and Ceramics. 2017. No. 3. Pp. 28-31. (rus) Гулоян Ю.А. Технология стекла и стеклоизделий // Владимир: Транзит-ИКС, 2015. 710 с. Guloyan Yu.A. Technology of glass and glass products [Tekhnologiya stekla i stekloizdeliy]. Vladimir: TRANZIT-IKS, 2015. 710 p. (rus) Павлюкевич Ю.Г., Левицкий И.А., Мазура Н.В. Использование колеманита в производстве стеклянного волокна // Стекло и керамика. 2009. №10. С. 9-13. Pavlyukevich Y.G., Levitsky I.A., Mazur N.In. The use of colemanite in the production of glass fiber [Ispol'zovanie kolemanita v proizvodstve steklyannogo volokna]. Glass and ceramics. 2009. No. 10. Pp. 9-13. (rus) Павлюкевич Ю.Г., Папко Л.Ф., Хлыстов С.П., Солджунер Е.А. Влияние борсодержащих компонентов на технологические свойства базальтовых расплавов и стекол // Стекло и керамика. 2018. №11. С. 7-12. Pavlyukevich Y.G., Filo L.F., Whips S.P., Calguner E.A. Influence of boron-containing components on the technological properties of basaltic melts and glasses [Vliyanie borsoderzhashchikh komponentov na tekhnologicheskie svoystva bazal'tovykh rasplavov i stekol]. Glass and ceramics. 2018. No. 11. Pp. 7-12. (rus) Кондрашов В.И. Вариативное производство декоративного и функционального флоат-стекла // Glass Russia. 2014. №8. С. 22-24. Kondrashov V.I. Variable manufacturing decorative and functional float glass [Variativnoe proizvodstvo dekorativnogo i funktsional'nogo float-stekla]. Glass Russia. 2014. No. 8. Pp. 22-24. (rus) Yadollahi А., Nazemi E., Zolfaghari A., Ajorloo A.M., Optimization of thermal neutron shield concrete mixture using artifical neural network // Nucl. Eng. Des. 2016. № 305. Pp. 146-155. Yadollahi A., Nazemi E., Zolfaghari A., Ajorloo A.M., Optimization of thermal neutron shield concrete mixture using artifical neural network. Nucl. Eng. Des. 2016. No 305. Pp. 146-155. Demir F., Budak G., Sahin R., Karabulut A., Oltulu M., Serifoglu K., Un A. Radiation transmission of heavyweight and normal-weight concretes containing colemanite for 6 MV and 18 MV X-rays using linear accelerator // Ann. Nucl. Energy. 2010. №37. Pp. 339-344. Demir F., Budak G., Sahin R., Karabulut A., Oltulu M., Serifoglu K., Un A. Radiation transmission of heavyweight and normal-weight concretes containing colemanite for 6 MV and 18 MV X-rays using linear accelerator. Ann. Nucl. Energy. 2010. No. 37. Pp. 339-344. Erdogmus E., Erdoğan Y., Gencel O., Targan S., Avciata U., Influence of colemanite admixture on Portland cement durability // Adv. Cem. Res. 2012. №24. Pp. 155-164. Erdogmus E., Erdoğan Y., Gencel O., Targan S., Avciata U., Influence of colemanite admixture on Portland cement durability. Adv. Cem. Res. 2012. No 24. Pp. 155-164. Glinicki M.A., Antolik A., Gawlicki M., Evaluation of compatibility of neutron-shielding boron aggregates with Portland cement in mortar // Constr. Build. Mater. 2018. № 164. Pp. 731-738. Glinicki M.A., Antolik A., Gawlicki M., Evaluation of compatibility of neutron-shielding boron aggregates with Portland cement in mortar. Constr. Build. Mater. 2018. No 164. Pp. 731-738. Федосов С.В., Акулова М.В., Слизнева Т.Е., Потемкина О.В. Термогравиметрические исследования фазовых превращений в цементных композициях на механоактивированном растворе силиката натрия // Вестник МГСУ. 2013. C. 111-118. Fedosov S.V., Akulova M.V., Slizneva T.E., Potemkina O.V. Thermogravimetric studies of phase transformations in cement compositions on a mechanoactivated solution of sodium silicate [Termogravimetricheskie issledovaniya fazovykh prevrashcheniy v tsementnykh kompozitsiyakh na mekhanoaktivirovannom rastvore silikata natriya]. Vestnik MGSU. 2013. Pp. 111-118. (rus) Федосов С.В., Акулова М.В., Потемкина О.В., Емелин В.Ю., Белякова Н.А. Исследование изменения фазового состава пенобетона с добавлением жидкого стекла и стеклобоя термогравиметрическим методом // Строительство и реконструкция. 2013. №3 (47). С. 69-77. Fedosov S.V., Akulov V.M., Potemkin O.V., Emelin V.Yu., Belyakova N.A. The study of changes in the phase composition of the foam with the addition of liquid glass and cullet thermogravimetric method [Issledovanie izmeneniya fazovogo sostava penobetona s dobavleniem zhidkogo stekla i stekloboya termogravimetricheskim metodom]. Construction and reconstruction. 2013. No. 3 (47). Pp. 69-77. (rus) Hartung E., Heide K., Investigation of Phase Transitions of Hydrated Borates at Non-isothermal Conditions // Krist. Tech, 1978. Pp. 57-60. Hartung E., Heide K. Investigation of Phase Transitions of Hydrated Borates at Non-isothermal Conditions. Krist. Tech. 1978. Pp. 57-60. Waclawska, L. Stoch, J. Paulik, F. Paulik, Thermal decomposition of colemanite // Thermochim. Acta, 1988. № 126. Pp. 307-318. Waclawska, Stoch L., Paulik J., Paulik F. Thermal decomposition of colemanite. Thermochim. Acta. 1988. No. 126. Pp. 307-318. Frost R.L., Scholz R., Ruan X., Fernandes Lima R.M., Thermal analysis and infrared emission spectroscopy of the borate mineral colemanite (CaB3O4(OH3)‧H2O) // J. Therm. Anal. Calorim. 2016. № 124. Pp. 131-135. Frost R.L., Scholz R., Ruan X., Fernandes R.M. Lima, Thermal analysis and infrared emission spectroscopy of the borate mineral colemanite (CaB3O4(OH3)‧H2O). J. Therm. Anal. Calorim. 2016. No 124. Pp. 131-135. Rusen, Investigation of structural behavior of colemanite depending on temperature // Rev. Rom. Mat. 2018. № 48. Pp. 245-250. Rusen, Investigation of structural behavior of colemanite depending on temperature. Rev. Rom. Mat. 2018. No 48. Pp. 245-250. Paolo Lotti, Davide Comboni, Lara Gigli, Lucia Carlucci, Eros Mossini, Elena Macerata, Mario Mariani, Gatta G. Diego. Thermal stability and high-temperature behavior of the natural borate colemanite: An aggregate in radiation-shielding concretes // Construction and Building Materials. 2019. Vol. 203. Pp. 679-686. Paolo Lotti, Davide Comboni, Lara Gigli, Lucia Carlucci, Eros Mossini, Elena Macerata, Mario Mariani, Gatta G. Diego. Thermal stability and high-temperature behavior of the natural borate colemanite: An aggregate in radiation-shielding concretes. Construction and Building Materials. 2019. Vol. 203. Pp. 679-686. Anthony J.W., Bideaux R.A., Bladh K.W., Nichols M.C. (Eds.) Handbook of Mineralogy, Mineralogical Society of America, Chantilly, http://www.handbookofmineralogy.org/pdfs/colemanite.pdf Anthony J.W., Bideaux R.A., Bladh K.W., Nichols M.C. (Eds.) Handbook of Mineralogy, Mineralogical Society of America, Chantilly, http://www.handbookofmineralogy.org/pdfs/colemanite.pdf Helvaci C., Stratigraphy, Mineralogy, and Genesis of the Bigadiç Deposits, Western Turkey // Econ. Geol. 1995. №90. Pp. 1237-1260. Helvaci C., Stratigraphy, Mineralogy, and Genesis of the Bigadiç Deposits, Western Turkey. Econ. Geol. 1995. No 90. Pp. 1237-1260. Горшков В.С., Тимашев В.В., Савельев В.Г. Методы физико-хмического анализа вяжущих веществ: Учеб. пособие. М.: Высш. школа, 1981. 335 с. Gorshkov V.S., Timashev V.V., Savelyev V.G. Methods of physical and chemical analysis of astringent substances: Textbook. [Metody fiziko-khmicheskogo analiza vyazhushchikh veshchestv: Ucheb. posobie]. M.: Higher School, 1981. 335 p. (rus) Фекличев В.Г. Диагностические спектры минералов. М., «Недра», 1977. 228 с. Feklichev V.G. Diagnostic spectra of minerals [Diagnosticheskie spektry mineralov]. M.: Nedra, 1977. 228 p. (rus) Бондаренко Н.И., Здоренко Н.М., Ляшко А.А., Волошко Н.И., Антропова И.А., Бурлаков Н.М. Исследование кинетики дегидратации гидроалюминатов алюминатного цемента // Международный журнал экспериментального образования. 2015. №12. Ч. 2. 252 с. Bondarenko N.I., Zdorenko N.M., Lyashko A.A., Voloshko N.I., Antropova I.A., Burlakov N.M. Investigation of dehydration kinetics of aluminate cement hydroaluminates [Issledovanie kinetiki degidratatsii gidroalyuminatov alyuminatnogo tsementa]. International Journal of Experimental Education. 2015. No. 12. Ch. 2. 252 p. (rus) Рамачандран В.С. Применение дифференцированного термического анализа в химии цементов. Под ред. В.Б. Ратинова. Пер. с англ. М., Стройиздат, 1977. 408 с. Ramachandran V.S. Application of differentiated thermal analysis in cement chemistry [Primenenie differentsirovannogo termicheskogo analiza v khimii tsementov]. Ed. by V. B. Ratinov. Per. s engl. M., Stroyizdat, 1977. 408 p. (rus) Браун М., Доллимор Д., Галвей А. Реакции твердых тел: Пер. с англ. М.: Мир, 1983. 360 с. Brown M., Dollimore D., Galvey A. Reactions of solid bodies: Trans. from English [Reaktsii tverdykh tel: Per. s angl.]. M.: Mir, 1983. 360 p. (rus)