Ценный минерал вырабатывается быстрее и на доступном сырье
Ученые КНИТУ-КАИ и КНИТУ-КХТИ запатентовали новый способ получения синтетического диопсида из цеолит-кремнистой породы и доломита. Синтетический диопсид - искусственный аналог природного минерала диопсида (CaMg[Si₂O₆]). Ключевое преимущество синтетического минерала - однородность состава и структуры. Благодаря высокой термостойкости, химической инертности, прочности и биосовместимости синтетический диопсид активно применяют в производстве строительных и электротехнических керамических материалов, цементных смесей, бетонов, кирпича, а также медицинских изделий - как биоактивный материал для костных трансплантатов и имплантов. Твердофазный метод, предложенный казанскими учеными, позволяет на полтора часа сократить время производства, а также расширить ассортимент доступного отечественного сырья для получения продукта.
Известен способ получения синтетического диопсида, когда совместно обжигаются кремневая кислота с предварительно измельченными кальций- и магнийсодержащими продуктами, например, окислами кальция и магния, магнезитом, известняком или доломитом. Процесс обжига проводят при 1260-1390 °С. Недостатком этого способа является необходимость применения при обжиге высоких температур и невысокий выход целевого продукта, не превышающий 80%.
За прототип исследователи взяли другую технологию (Патент RU 2 801 146). Диопсид вырабатывают твердофазным методом в течение трех часов при температуре 1100 °С из шихты, содержащей доломит и золу рисовой шелухи, а в качестве плавня используют борную кислоту, при их процентном соотношении 57:38:5. Плавку осуществляют в муфельной печи при повышении температуры со скоростью 5 °C/мин и доводят до 1100 °C (время разогрева - 3,6 часов) и изотермической выдержке при этой температуре в течение трех часов. Полученный расплав охлаждают в печи и измельчают. Недостатком прототипа является большое общее время получения диопсида и использование золы рисовой шелухи, которая выпускается в России в ограниченном масштабе, ее производство локализовано в южных районах страны, что затрудняет транспортную логистику при промышленном производстве.
Авторы новой разработки предлагают исключить из технологического процесса золу рисовой шелухи, а в качестве источника аморфного диоксида кремния использовать цеолит-кремниевую породу Татарско-Шатрашанского месторождения. По сравнению с прототипом можно сократить общий цикл производства диопсида на 1,4 часа, что, учитывая высокую энергоемкость процесса твердофазного синтеза, дает возможность существенного энергосбережения. Кроме того, появляется возможность расширить ассортимент сырья для синтеза диопсида.
Цеолит-кремнистая порода вместе с доломитом перемалывается до размера частиц 100 мкм на лабораторно-дисковом истирателе ЛДИ-65 («ACOM», Россия) с добавлением порошка борной кислоты, как плавня, при процентном соотношении этих компонентов 43-45: 49-50: 5. Спекание происходит в муфельной лабораторной печи LOIP LF-7/11-G2 («ЛОИП», Россия) в корундовых тиглях при температуре 1100 °С в течение трех часов при скорости нагрева 8 °С/мин (время разогрева – 2,2 часа). После остывания проводится помол образцов до размера частиц и исследование их фазового состава на рентгеновском дифрактометре. Синтезированный кальций-магниевый силикат, согласно данным рентгенофазового анализа, имеет следующий процентный состав: диопсид 95-97%, а в качестве примесей ларнит 5% или кварц 3%.
Таким образом общее время производства по технологии прототипа составляет 9 часов, а по предлагаемому способу 7,6 часа. Время работы печи (нагрева) у прототипа 6,6 часа, а у заявляемой технологии 5,2 часа.
«Изобретение позволяет получать диопсид из доступного отечественного сырья с применением твердофазной реакции с высоким выходом целевого продукта и сокращением времени полного цикла его получения, - уточняет доцент кафедры материаловедения, сварки и производственной безопасности КНИТУ-КАИ Алина Валеева. - Технический результат заключается в сокращении времени производства диопсида на 84 минуты и расширении ассортимента доступного отечественного сырья для его получения при сохранении высокого выхода целевого продукта».
Предлагаемую технологию разработал авторский коллектив в составе аспиранта КНИТУ-КХТИ Камиля Габдулхаева, доцента кафедры «Технология неорганических веществ и материалов» КНИТУ-КХТИ Тимура Шакирова, доцента кафедры «Материаловедение, сварка и производственная безопасность» КНИТУ-КАИ Алины Валеевой, профессора кафедры «Технология неорганических веществ и материалов» КНИТУ-КХТИ Елены Готлиб.
В 2026 году Федеральная служба по интеллектуальной собственности выдала на изобретение Патент RU 2 864 587.
