Prezentacija 6

INDUSTRIJSKA HEMIJSKA ANALIZA 6

STAKLO

StakloOsobine koje čine staklo jednim od osnovnih materijala savremene civilizacije su: čvrstina,providnost ihemijska postojanost.

Staklo je prehlađena tečnost sa vrlo velikim unutrašnjim trenjem: nema tačku topljenja pošto trenje opada sa porastom

temperature, staklo postepeno omekšava pre prelaska u tečno stanje, što omogućava njegovu obradu

Hemijski sastav stakla

Približan hemijski sastav stakla je:

CaO ∙ Na2O ∙ 6SiO2

Jedino je kvarcno staklo po hemijskom sastavu prosto: SiO2

Od ostalih sastojaka staklo sadrži silikate:

Ka, Ca, Mg, Ba, Pb, Zn, Al, Fe, Mn i dr.Silicijumova kiselina se može zameniti ili dopuniti

bornom kiselinom ili, u specijalnim slučajevima, fosfornom kiselinom.

Osobine stakla

Osobine stakla zavise od pojedinih sastojaka: Alkalije smanjuju temperaturu omekšavanja, tvrdoću i

otpornost prema hemijskom dejstvu. PbO deluje slično kao alkalije, međutim olovno staklo ima

odlične optičke osobine. Borna kiselina smanjuje temperaturu omekšavanje,

koeficijent širenja, a povećava hemijsku postojanost.

Borno staklo ima manju tendenciju za rastakljivanjem,

zato se koristi za izradu laboratorijskog stakla, cevnih vodova, kuhinjskih sudova, izolatora ili zaptivača.

Al2O3 najviše povećava hemijsku postojanost, a smanjuje tendenciju za rastakljivanjem i koeficijent širenja, međutim, povećava temperaturu omekšavanja, odnosno viskozitet stakla

Fe2O3 poboljšava osobine stakla, međutim boji staklo u mrko, pa mu je količina ograničena.

Radi bojenja stakla dodaju se:

• hrom

• vanadijum,

• bakar,

• mangan

•nikal

•kobalt

Za zamućivanje stakla dodaju se fluoridi i fosfati:

Hemijske osobine stakla

Staklo je otporno prema korozivnom dejstvu:• vode,• vodenih rastvora kiselina, baza i soli,• organskih rastvora.

Hemijska postojanost raste sa porastom sadržaja SiO2, B2O3 i Al2O3 , a opada sa porastom sadržaja alkalija.

Staklo je nepostojano prema fluorovodoničnoj kiselini. HF nagriza staklo gradeći SiF4, što se koristi za šaranje stakla.

Nepostojano je prema stopljenim alkalijama, ključalim rastvorima jakih alkalija i fosfornoj kiselini.

Fizičke osobine stakla

Fizičke osobine stakla zavise od hemijskog sastava, ali i od načina termičke obrade, stabilizacije pri hlađenju i td.: tvrdoća - oko 6 (po Mosovoj skali), gustina običnog stakla – 2,4 – 2,6 g/cm3,

a olovno-kristalnog – 3,0 – 3,8 g/cm3

Indeks prelamanja običnog stakla – 1,4

a olovnog – 1,9.Koeficijent širenja znatno zavisi od hemijskog sastava:

• za obično staklo – 80 – 90x10-7,

• za kvarcno staklo – 5x10-7,

• za “pyrex” staklo (vatrostalno) – 32x10-7. Električna provodljivost je mala, ali raste sa temperaturom.

Suvo staklo je odličan izolator.

Podela stakla

Prema hemijskom sastavu:• alkalno – krečno,• alkalno – olovno,• aluminijum – bor – silikatno.

Prema nameni:• ravno staklo (za prozore, ogledala, ornamentiku),

• šuplje (duvano) staklo,

• optičko staklo,

• specijalne vrste stakla.

staklena vlakna filter staklo

http://www.serbianglass.co.yu/0pt1.jpg

http://www.serbianglass.co.yu/0pt3.jpg

Proizvodnja stakla

Proizvodnja stakla

Zasniva se na reakcijama između kiselih i baznih sastojaka smese pri čemu nastaju silikati:

Na2CO3 + x SiO2 = Na2O ∙ x SiO2 + CO2

CaCO3 + y SiO2 = CaO ∙ y SiO2 + CO2

Na2SO4 + z SiO2 +C = Na2O ∙ z SiO2 + CO + SO2

Industrijski postupak obuhvata:• Podrazumeva mlevenje, granulaciju,

prečišćavanje, odmeravanje komponenti, njihovo mešanje i homogenizaciju.

• Za proizvodnju stakla koriste se dve vrste sirovina:

1. Osnovne sirovine - kvarcni pesak,

- soda (natrijum – karbonat) ili glauberova so (natrijum – sulfat),

- kreč. - stakleni krš.

Priprema sirovinaPriprema sirovina

TopljenjeTopljenje

HlađenjeHlađenje

Oblikovanje staklene mase


Završna obradaZavršna obrada

- Kvarcni pesak treba da bude sitan i sa što manje Fe2O3 ukoliko se koristi za prozorsko ili optičko staklo (najviše 0,01-0,02% Fe2O3) (a).

Za staklo za boce sadržaj

Fe2O3 može biti 0,1-1% (b).

- Kreč se dodaje u obliku samlevenog krečnjaka, mermera ili laporca.

(a) (b)

Soda ili Na2SO4 dodaju se kao topitelji:

• Sulfat deluje i kao sredstvo za bistrenje jer se u toku procesa oslobađaju CO i SO2:

Na2SO4 + SiO2 + C = Na2SiO3 + CO + SO2

• U slučaju korišćenja sulfata neophodno je prisustvo ugljenika (redukcionog sredstva), da bi se smanjila temperatura na kojoj se reakcija odigrava.

Stakleni krš predstavlja veliki deo svake šarže u proizvodnji stakla: 10 – 75% (najčešće 20 – 30%). Olakšava topljenje i omogućava dobijanje ujednačenog proizvoda.

2. Sredstva za bojenje: joni metala

• Fe2+ joni boje staklo plavo-zeleno,• Fe3+ joni boje žuto-zeleno do mrko-crveno,• Co2+ joni boje tamno-plavo (kobaltno plavo).

Koloidno dispergovani metali:• selen boji ružičasto,• zlato boji ružičasto do purpurno• bakar boji zatvoreno crveno itd.

Metalni oksidi ili sulfidi.

3. Sredstva za zamućivanje – za dobijanje mlečnog stakla: fosfati (u obliku koštanog pepela ili trikalcijum-fosfata), SnO2, TiO2, Pb(AsO3)2,

neki fluoridi (NaF, CaF2).

Zamućivanje je posledica izdvajanja kristalića

(npr. fluorida) koji izazivaju neku vrstu rastakljivanja, usled čega staklo postaje mutno.

4. Sredstva za obezbojavanje

Uklanja se boja koja potiče od primesa,

To su najčešće oksidaciona sredstva koja održavaju oksidacionu atmosferu tokom procesa (šalitra, arsenik i šalitra, cerijum-dioksid, mangan-dioksid).

5. Sredstva za bistrenje To su supstance koje se na visokoj temperaturi u

peći razlažu oslobađajući gasove. Ovi gasovi izlaze u velikim mehurovima, povlačeći

sa sobom sitne mehurove i neistopljene deliće komponenata, pa masa postaje bistrija.

Najčešće se dodaju:• arsenik i šalitra, arsenik,antimo-pentoksid,

cerijum-dioksid,• natrijum-hlorid koji isparava,• natrijum-sulfat

• Koriste se dve vrste peći za topljenje sirovina:– Peći sa loncima

– Kadne ili koritaste peći


TopljenjeTopljenje

HlađenjeHlađenje




Peći sa loncima

U njima se proizvodi:• obojeno staklo,• skoro sve šuplje staklo,• deo presovanog stakla,• optičko staklo. Staklo se topi u loncima koji se

greju u plamenoj peći. Proces je diskontinualan. Pod i zidovi peći su od šamotnih

opeka, a svod (izdržava najvišu temperaturu) je od silikatnih opeka (96% SiO2 i 4% Al2O3).

Lonci su od 50% sirove netopljive gline i 50% šamota i dodaju se otpaci od starih lonaca, ali bez stakla.

Rad sa loncima je periodičan:• Sirovina se dodaje u lonce kašikama.• Staklena masa se vadi iz lonaca kašikama.• Peć se ne gasi.• Lonci se ne hlade.

Koritaste peći

Proces u koritastim pećima je kontinualan: Staklo se topi u koritu (kadi) pomoću plamena koji prelazi

preko mase. Na jednom kraju kade kontinualno se dodaje

homogenizovana smesa sirovina. Na drugom kraju kade se staklo uzima na preradu. Staklena masa se stalno kreće. Peći se zagrevaju generatorskim gasom. U peći se formiraju tri zone:

• zona topljenja (oko 1000°C),• Zona bistrenja (oko 1450°C),• Radna zona – tu je staklo ohlađeno na radnu

temperaturu (1000 - 1200°), gde se uzima za dalju obradu.

Koritasta peć

Radna zona 1000 - 1200°C

Zona bistrenja 1450°C

Zona topljenja 1000°C

Istopljeno staklo

Istopljeni kalaj


TopljenjeTopljenje

HlađenjeHlađenje




• Najstariji način oblikovanja staklene mase (prerade stakla) je duvanje snagom pluća, pomoću naročitih lula (duvaljki).

• Nekada su na ovaj način izrađivani stakleni predmeti za sve potrebe (čak i ravno prozorsko staklo).

• Najstariji način oblikovanja staklene mase (prerade stakla) je duvanje snagom pluća, pomoću naročitih lula (duvaljki).

• Nekada su na ovaj način izrađivani stakleni predmeti za sve potrebe (čak i ravno prozorsko staklo).


TopljenjeTopljenje

HlađenjeHlađenje




Prerada stakla

• Danas je prerada mehanizovana, duvanje se vrši komprimovanim vazduhom u specijalnim mašinama.

• Za ravno staklo, boce, kruške za

sijalice i dr. uvedena je mašinska proizvodnja.

Oblikovanje duvanog stakla

Prvi kalupDrugi kalup

DuvaljkaVazduh

Linija razdvajanja kalupa

Vazduh

Stopljeno staklo

Presovanje

Presovanje je uobličavanje staklenih predmeta nabijanjem staklene mase u kalupe pod pritiskom.

Kalupi se izrađuju od mesinga i unutrašnja strana im se premazuje voskom.

Kalup

Staklena masa

Presa

Rotiranje

Na ovaj način se oblikuju stakleni predmeti kao što su katodne cevi za televizore i kompjuterske monitore.

Vrela staklena masa se stavi u kalup (1). Rotiranjem kalupa velikom brzinom staklo se raširi po površini kalupa (2).

Vrela staklena masa

Kalup

Ravno staklo

Ravno staklo se oblikuje izvlačenjem po Furkolovom postupku koji je počeo komercijalno da se primenjuje početkom 20. veka. Po Furkolovom postupku staklena ploča se neprekidno izvlači iz radnog dela peći vertikalno naviše:

U stopljeno staklo stavlja se propusna šamotna ćelija. Staklena masa je u otvoru ćelije pod malim pritiskom.

Šamotna ćelija Stopljeno staklo

Staklena masa se zahvata metalnom mrežom u obliku ravne ploče, povlači napolje i ubacuje među parove valjaka.

U toku izvlačenja staklo se hladi.

Noseći valjci

Oblikujući valjci

Stopljeno staklo

Savremena proizvodnja ravnog stakla

Valjanje

Valjanje je izlivanje staklene mase na stolove i razvlačenje pomoću valjaka.

Valjanjem se proizvodi armirano staklo.

Armirano staklo se dobija utiskivanjem metalne mreže u izliveno staklo ili

Izlivanjem staklene ploče preko metalne mreže.

Oblikovanje staklenih vlakana

Guga kontinualna staklena vlakna za proizvodnju staklene mate i tkanine formiraju se postupkom izvlačenja.

Stopljeno staklo

Dizna

Primarna polimerna obloga

Sekundarna polimerna obloga

Obloženo optičko vlakno

Peć

Prihvatni kalemValjak

Oblikovanje optičkih vlakana

Sigurnosno staklo

Sigurnosno staklo se proizvodi na dva načina:

1. Dve ili više staklenih ploča se lepe nekom providnom sintetičkom plastičnom masom (polivinilnim smolama ili acetatnom celulozom).

2. Naročitom termičkom obradom – “kaljenjem”:

Formirani predmet se zagreje na temperaturu “otpuštanja”(omekšavanja),

zatim se naglo hladi pomoću vazduha.

Obavezno se vrši uklanjanje oštrih ivica brušenjem ili stapanjem plamenikom.

Oplemenjivanje stakla:• duboko brušenje pomoću ploče od

silicijuma,• Poliranje.


TopljenjeTopljenje

HlađenjeHlađenje




http://www.serbianglass.co.yu/18096-v.jpg

Nagrizanje se vrši fluorovodonikom (H2F2) po šari koja se nacrta u parafinu kojim je staklo premazano.

Matiranje se može izvesti na dva načina:

• Hemijskim nagrizanjem sa H2F2 ili CaF2 ili

• Mehanički, prskanjem finim peskom pod pritiskom (peskiranje).

Malanje (površinsko bojenje) vrši se masnim bojama, najčešće na hladno.

Hemijska analiza silikata

Pri analizi silikata obično se određuju:

• SiO2, Al2O3, Fe2O3, MgO, CaO, Na2O, KsO, BaO.

• Ređe se određuju PbO, TiO2, P2O5, Mno, Cr2O3, V2O3, ZrO2

itd.

Pri analizi silikata obično se određuju:

• SiO2, Al2O3, Fe2O3, MgO, CaO, Na2O, KsO, BaO.

• Ređe se određuju PbO, TiO2, P2O5, Mno, Cr2O3, V2O3, ZrO2

itd.

Priprema uzorka Uzorak mora da bude izuzetno fino sprašen. Sprašivanje se vrši u Platnerovom avanu (ahatnom avanu) ili

ahatnom mlinu sa kuglom. Sušenje uzorka se vrši u sušnici na 105°C (rezultat analize se daje u

težinskim procentima suvog uzorka). Rastvaranje uzorka:

• Silikati sa većim procentom baznih oksida rastvaraju se u kiselinama.

• Silikati sa većim sadržajem SiO2 rastvaraju se alkalnim topljenjem.

• Većina prirodnih silikata i neki veštački (staklo, porcelan) ne mogu se potpuno rastvoriti u kiselinama, pa se vrši alkalno topljenje.

Određivanje sadržaja SiO2

Uzorak silikata se rastvara alkalnim topljenjem. Alkalno topljenje se vrši zagrevanjem sprašenog uzorka i smeše kalijum –

karbonata i natrijum - karbonata (1:1) u platinskom lončiću na plamenu. Istopljeni karbonati prevode se u rastvor rastvaranjem u konc. HCl (svi osim

silicijumove kiseline). Nerastvorna silicijumova kiselina se odvoji ceđenjem kroz filter papir “crna

traka”. Žarenjem prvo na plamenu, pa u peći, silicijumova kiselina se prevodi u

SiO2.

Tačan sadržaj SiO2 se određuje isparavanjem sa HF po jedn.

SiO2 + 4HF = SiF4 + 2 H2O

iz gubitka mase a prema formuli SiO2 = a ∙ 100/m

gde je m masa izmerenog uzorka.

Određivanje sadržaja Al2O3 i Fe2O3

Oksidi aluminijuma i gvožđa određuju se iz filtrata posle određivanja SiO2:

Taloženjem amonijum – hidroksidom (u prisustvu amonijum – hlorida) u obliku R(OH)3

Žarenjem na 1000°C pri čemu nastaje smeša oksida R2O3 i merenjem istih.

Zatim se odredi sadržaj Fe2O3 po jednoj od dve standardne metode za određivanja gvožđa:

1. Za silikate sa sadržajem gvožđa ispod 1% koristi se spektrofotometrijska metoda sa kalijum – tiocijanatom (KSCN).

2. Za silikate sa sadržajem gvožđa većim od 1% koristi se volumetrijska metoda po Cimerman – Rajnhardu

Cimerman – Rajnhardova metoda

Fe3+ joni se redukuju u Fe2+ primenom SnCl2 prema jednačini:

2FeCl3 + SnCl2 = 2FeCl2 + SnCl4 Višak SnCl2 se uklanja dodatkom rastvora HgCl2, pri čemu

dolazi do reakcije:

SnCl2 + 2HgCl2 → SnCl4 + Hg2Cl2(beli talog)

Rastvoru se zatim dodaje Cimerman – Rajnhardov rastvor koji se sastoji od:

• H3PO4 – vezuje Fe3+ jone (žute) u bezbojan kompleks.

• MnSO4 – smanjuje oksidacionu moć titracionog sredstva (KMnO4) da se ne bi oksidisao Cl- jon u Cl2.

• H2SO4 obezbeđuje kiselu sredinu za titraciju.

Zatim se Fe2+ joni titrišu rastvorom KMnO4 (0,02 M):

10FeSO4 + 2KMnO4 + 8H2SO4 → 5Fe2(SO4)3 + 2MnSO4 + K2SO4 + 8H2O

Izračunavanje:

m10

alikvot399,25CVO%Fe 44 KMnOKMnO32

Određivanje sadržaja CaO i MgO

Oksidi kalcijuma i magnezijuma određuju se iz filtrata posle odvajanja gvožđa i aluminijuma:

Najpre se taloži Ca rastvorom amonijum - aksalata. Dobijeni talog kalcijum – oksalata (CaC2O4) se posle

ceđenja žari na 1000 - 1100°C i meri kao CaO. Izračunavanje:

%CaO = a ∙ 100 ∙ alikvot/m,gde je a = masa CaO posle žarenje i hlađenja, a m = masa izmerenog uzorka silikata.

Magnezijum se određuje iz filtrata posle odvajanja kalcijuma.

Taloženje se vrši rastvorom amonijum – fosfata. Dobijeni talog magnezijum – amonijum – fosfata

(MgNH4PO4) se, posle ceđenja, žari na 1000°C pri čemu prelazi u magnezijum – pirofosfat (MgP2O7), u kom obliku se i meri.

Izračunavanje:

%MgO = a ∙ F ∙ 100/m,

gde je F = 2MgO/Mg2P2O7 - gravimetrijski faktor.

Određivanje sadržaja Na2O i K2O

Za određivanje oksida natrijuma i kalijuma uzorak silikata se posebno rastvara i to zagrevanjem sa HF i HClO4 , pri čemu silicijum isparava kao SiF4.

Dobijeni rastvor se razblaži destilovanom vodom do određene zapremine (najčešće 100 cm3).

Na i K se određuju metodom plamene fotometrije ili standardnim gravimetrijskim postupkom.

Documents

Prezentacija 6