Мировой рынок потребления аморфных кремнеземов и гидротермы Камчатки как новые природные источники для производства наноразмерного кремнезема в России

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Мировая потребность в различных типах аморфного кремнезема непрерывно увеличивается. Такая тенденция проявляется и в высокотехнологичных отраслях промышленности, которые связаны с потреблением ультрадисперсных форм кремнезема - золей и нанопорошков. Гидротермальные растворы - новый сырьевой источник для получения золей и нанопорошков SiO2. Существует необходимость развития технологии получения золей и нанопорошков SiO2 на основе гидротермальных растворов. Технология должна учитывать размеры и концентрацию частиц SiO2, кинетику их образования в результате поликонденсации ортокремниевой кислоты, температуру и pH водной среды.

Осажденный кремнезем и золь кремнезема являются ценным сырьем, имеющим большой рынок сбыта. Общая мировая потребность в аморфном кремнеземе составляет порядка 1 млн. тонн [1, 2].

Наибольшими промышленными возможностями по производству золей кремнезема обладают американские фирмы Degussa, Rhоne-Poulenc, PPG, Akzo-PQ и Huber. Ожидается, что увеличение рынка обувной промышленности и рынка автомобильных шин в Азии приведет к росту потребности в кремнеземе. Приблизительно 57% глобального потребления осажденного кремнезема используется как добавка в производстве резины. Около 47% этого используются для производства автомобильных шин, а оставшиеся 53% применяются для производства обуви и других резиновых изделий.

На Североамериканском рынке наполнителей естественные материалы пользуются большим спросом, чем искусственно полученный осажденный кремнезем. Производство осажденного кремнезема в США составляет около 145000 тонн SiO2. При искусственном производстве осажденного кремнезема обычно используют силикат щелочного металла и серную кислоту. Кварцевый песок является кремнесодержащим материалом, из которого получают силикат щелочного металла. Приблизительные промышленные возможности и область специализации производителей США по осажденному кремнезему указаны в (табл. 1). Эти данные указывают на прирост промышленных возможностей около 33%. Осажденный кремнезем используется в США в эластомерах, аккумуляторных батареях, продовольственных продуктах и здравоохранении, сельскохозяйственных продуктах, для производства антивспенивающих веществ и катализаторов. Одним из самых крупных направлений применения кремнезема является его использование для производства эластомеров, поскольку добавление кремнезема улучшает характеристики сопротивления автомобильной шины скольжению по сравнению с углеродными материалами.

Мировое потребление соединений кремнезема составило около 44.000 тонн фирмами DuPont, Akzo Nobel, Nalco и Bayer, некоторым узко специализирующимся производителям, например, Nissan. США использует большую часть кремнеземной продукции в целлюлозно-бумажной промышленности, тогда как в Азии кремнезем больше применяется для производства полированных кремниевых плат.

Табл. 1. Ежегодное производство осажденного кремнезема в США

Производство в США золей кремнезема составляет около 20.150 тонн SiO2. Приблизительные промышленные возможности и специализация производителей США по золю кремнезема указаны в (табл. 2). Эти данные указывают на увеличение производства на 40%.

Золь кремнезема используется в США в целлюлозно-бумажной промышленности, производстве керамики, плат для электроники, катализаторов. В целлюлозно-бумажной промышленности коллоидный кремнезем применяется для улучшения свойств бумаги, помогает в волоконном удержании чернил и фильтрации.

В международной торговле осажденным кремнеземом для США импорт из Европы составляет 5.7 тысяч тонн и 12.7 тысяч тонн экспорта преимущественно в Канаду и Мексику.

Торговля золем кремнезема ограничена из-за высокого водосодержания, которое делает дальнюю транспортировку экономически невыгодной. США экспортирует продукты, сделанные из коллоидного кремнезема, преимущественно в Канаду.

В США цены на осажденный кремнезем меняются в значительной степени (от $1 до $4.5 за кг) в зависимости от области его применения. Область промышленного использования в свою очередь зависит от дисперсности и химической чистоты кремнезема.

Табл. 2. Ежегодное производство коллоидного кремнезема в США

Как показано, цены сравнительно стабильными (табл. 3). Цены на золь кремнезема также существенно зависят от его физико-химических свойств, и соответственно, области приме-нения, от $2.85 до $3.5 за 1 г SiO2. Кремнезем высокой чистоты часто используется в элект-ронной промышленности и обычно стоит от $4.5 до $7.5 за кг SiO2.

Считается, что золь кремнезема, пригодный для хроматографии, оценивается до $7.5 за кг. Тем не менее, Есть мнение, что очень чистый кремнезем (силикагель) использующийся в жидкостной хроматографии высокого давления, оценивается от $4.00 до $7.00 за грамм на западноевропейских рынках.

Ценность кремнезема, полученного из гидротермальных источников, зависит от его физико-химических характеристик и соответственно конкурентоспособности на различных рынках. Например, рынок краски требует высокого уровня чистоты кремнезема, чтобы он не влиял на цвет конечного продукта.

Табл. 3. Сравнительные цены по осажденному кремнезему

Потенциальным рынком для осажденного из геотермального раствора кремнезема является производство эластомеров, также существует возможность производства соединений кремнезема для целлюлозно-бумажной промышленности. Конкурентоспособность золь крем-незема, произведенного из гидротермальных источников, для специфических применений в пределах рассмотренных выше или других рынков будет зависеть от стоимости конечного продукта, некоторые из них описаны выше. Продукция гидротермального происхождения поступает в оборот за счет роста этих рынков в основном за счет деятельности нескольких фирм. Производство золь кремнезема в США не сталкивается с большой конкуренцией из-за рубежа.

Фирма CalEnergy заинтересовалась производством кремнезема, подходящего в качестве добавки для производства резины. Характеристиками, необходимыми для этого применения, являются: большая площадь поверхности, высокая плотность внутренних пор и подходящее число поверхностных силанольных групп.

Существует мнение, что на Дикси-Валей могли бы произвести высококачественный золь кремнезема, пригодный для хроматографии. Самый крупный поставщик силикагеля высокой чистоты для жидкостной хроматографии высокого давления фирма Akzo Nobel AB имеет возможность вырабатывать всего несколько тонн продукции в год.

Как показано выше, цена за кремнезем изменяется в широких пределах в зависимости от его характеристик и соответственно области использования. Цена золь кремнезема, исполь-зуемого в производстве резины $1.12 за кг, а стоимость, добавляемого в краску, около $4.62 за кг.

Представлен потенциальный доход от производства кремнезема на месторождениях Солтон-Си, Дикси-Валлей, Косо, Ист-Меса и Хебер (табл. 4). Оценка промышленных и доход-ных данных в таблице основана на цене золь кремнезема $2200 за тонну.

Табл. 4. Потенциальный доход от извлечения кремнезема для ГеоЭС мощностью 50 МВт

Мировое производство нанопорошков распределено неравномерно. Многие страны, такие как Бразилия, Южная Африка, Россия и Австралия, являются крупными производителями сырья, но не производят наночастицы в значительных объемах. Сейчас только развитие в промышленном отношении страны стали производить наноматериалы в коммерческих количествах. Большинство из стран-производителей наноматериалов сильно зависят от им-порта сырья. Однако США, например, производит большинство из них в достаточном коли-честве для удовлетворения своих внутренних потребностей.

На США приходится более половины производителей нанопорошков (рис. 1). На американских производителей приходится две трети мирового производства. Европейский Союз и Азия производят большую часть остального объема.

Рис. 1. Местонахождение производителей порошков

Большинство американских производителей представляют собой небольшие специализированные новые компании или научно-исследовательские институты. Европейские производители не производят порошки в достаточном объёме для внутреннего потребления, а производство некоторых специальных порошков, приобретающих все большее значение, отсутствует или минимально. В результате этого европейские потребители импортируют большое количество порошков разнообразного ассортимента из Северной Америки. Азиатских производителей немного, но они крупные.

Зачастую специализируясь на производстве всего нескольких порошков, азиатские производители могут поставлять их в соседние страны, тем самым ограничивая потребность в порошках североамериканского или европейского производства. В Китае и Японии находятся значительные залежи редкоземельных металлов, от которых зависит американское производство некоторых важных редкоземельных оксидов. Согласно данным последнего Геологического обследования США, Китай производит 74% мирового объема иттрия, Япония - 22%. Растущий объем внутреннего производства в Китае угрожает мировым поставкам некоторых редкоземельных элементов.

Производство в Северной Америке и Азии имеет сходный профиль, притом что в Азии наблюдается небольшой перевес в сторону производства чистых металлов. По сравнению с этим Европа производит значительно больше оксидов металлов (рис. 2).

Рис. 2. Объемы производства порошков по регионам и по типам

Производители порошков, независимо от их месторасположения, в среднем производят от одного до пяти типов нанопорошков. Это особенно четко видно на примере Европы, и менее четко - на примере Азии. Значительное число североамериканских компаний производит от шести до десяти типов порошков. Пять североамериканских компаний производят большую часть всех порошков, включенных в данное исследование.

По всему миру производится более сотни различных видов порошков (рис. 3, 4). Подавляющее большинство - такие как теллуристый свинец и оксид гольмия, производятся в ограниченном количестве всего лишь одним или двумя производителями в исследовательских целях.

На (рис. 5) показано, как потребительские отрасли - электроника, оптика и обрабатывающая промышленность - потребляют более 70% мирового производства напорошков. Эти категории в некоторой степени перекрывают друг друга, поскольку многие абразивы, используемые в электронике и оптике, широко используются в обрабатывающей промышленности, и наоборот. На третьем месте, после некоторого разрыва, стоят энергетика и экология, которые включают в себя добычу полезных ископаемых, перерабатывающую промышленность, производство электроэнергии и переработку отходов и потребляют около 8% всего объема производства нанопорошков.

Рис. 3. Количество видов порошков, производимых компаниями, с разбивкой по регионам

Рис. 4. Отрасли, на которые направлено производство нанопорошков, с разбивкой по регионам

Рис. 5. Потребление порошков по отраслям

Медицина и косметическая промышленность потребляют только 7% нанопорошков, однако ожидается, что их применение в этой области будет вести за собой большую часть нанотехнологических исследований в ближайшие 10-15 лет. Две категории - аэрокосмическая промышленность и металлургия - не включены в категорию «Прочие», поскольку они яв-ляются потребителями значительного количества нескольких важных порошков.

На (рис. 6) потребление по регионам представлено с разбивкой на оксиды металлов, сложные оксиды, порошки чистых металлов и смеси. Профиль потребления почти идентичен по всем регионам.

Нанопорошки - только один из многих имеющихся на сегодняшний день наноматериалов. Большинство из них, такие как, например, дендримеры, фуллерин, нанотрубки, нанопрок-ладки и нанопоры, производятся из ограниченного количества видов сырья. А нанопорошки можно производить из сотен различных материалов. Все наноматериалы, которые производятся в настоящее время, подразделяются на четыре группы: оксиды металлов, сложные оксиды (состоящих из двух и более металлов), порошки чистых металлов и смеси. Оксиды металлов составляют не менее 80% всей производимых порошков.

Порошки чистых металлов составляют значительную и все возрастающую долю всего объема производства. Сложные оксиды и смеси имеются в ограниченном количестве. Однако ожидается, что их использование возрастет в долгосрочной перспективе (рис. 7).

Поскольку нанопорошки представляют собой переработанное сырье, а не конечный продукт, производители наноматериалов полагаются на регулярные и крупные заказы. На настоящий момент всего лишь несколько отраслей применяют нанопорошки. Поэтому большинство порошков производятся по специальным заказам, и только небольшие их количества продаются в упаковке для применения в научных исследованиях или экспериментах.

Рис. 6. Типы порошков, потребляемые по регионам

Рис. 7. Разбивка нанопорошков по типам

Ряд порошков быстро нашли свое применение. Оксид цинка широко используется для производства прозрачных лосьонов для загара нового поколения. Нанонизированные частицы хорошо поглощаются кожей и не оставляют белых полосок, характерных для большинства современных лосьонов. Хотя европейские производители не сразу стали применять оксиды в производстве косметики, ссылаясь на еще не известные эффекты, которые нанопорошки могут вызвать в организме человека, в США и других регионах их производство уже началось. Ограниченные испытания показали, что оксиды нанопорошков проникают в эпидермис, но не попадают в кровоток. Вольфрамово-кобальтовый карбид используется для изготовления износоустойчивого покрытия деталей машин и инструментов, предохраняющего их от царапин. Сурьмяно-оловянный и индие-оловянный оксиды очень перспективны для использования в электронике.

Литература

гидротермальный карбид нанопорошок кремнесодержащий

1. Потапов В.В., Зеленков В.Н., Горбач В.А., Кашпура В.Н., Мин Г.М. Извлечение коллоидного кремнезема из гидротермальных растворов мембранными методами. М.: РАЕН. 2006. 228с.

2. Шабанова Н.А., Саркисов П.Д. Основы золь-гель технологии нанодисперсного кремнезема. М.: ИКЦ “Академкнига”. 2004. 208с.

Размещено на Allbest.ru