Технология переработки фосфогипса в люминесцентный краситель на основе сульфида кальция

Цели. Материалы с люминесцентными свойствами на основе сульфида кальция являются объектом интенсивного изучения ввиду широкого круга возможностей их использования. Легирование структуры сульфида кальция катионами редкоземельных элементов приводит к появлению свечения различной окраски. Синтез подобных материалов осуществляют из химически чистых реактивов, что приводит к высокой стоимости люминофоров. Разработка способа получения люминесцентного материала на основе сульфида кальция из фосфогипса является актуальной задачей химической технологии, позволяющей осуществить комплексный подход к решению проблемы получения экономичных востребованных материалов из отходов производства.
Методы. Синтезированные материалы были изучены с помощью рентгенофазового анализа, растровой электронной микроскопии. Фотографии образцов выполняли при освещении лампой накаливания или люминесцентной ультрафиолетовой лампой.
Результаты. Согласно данным рентгенофазового анализа, фосфогипс представляет собой двуводный сульфат кальция и полуводный сульфат кальция. Термообработка при температуре 1073 К образца фосфогипса сопровождается образованием безводного сульфата кальция, в присутствии восстановителя происходит образование композиционного материала, содержащего фазу безводного сульфата кальция и сульфида кальция. Термообработанный в присутствии ряда восстановителей – активированного угля, березового угля, растительного масла, лимонной кислоты, крахмала, сахарозы – фосфогипс обладает способностью к люминесценции, обусловленной наличием сульфида кальция.
Выводы. Выявлены оптимальные технологические условия получения композиционного материала, проявляющего люминесцентные свойства. Показано, что для синтеза люминофора наиболее удачным является использование фосфогипса без предварительной обработки. Оптимальные технологические условия получения композиционного материала, проявляющего люминесцентные свойства: температура термообработки 1073–1173 К, продолжительность изотермической выдержки 60 мин, количество восстановителя – 37–50 мол. %. Проведенное исследование открывает широкие возможности переработки отхода многотоннажного химического производства с получением востребованного неорганического продукта.

1. Xu J.P., Fan L.R., Xie Y.C., Wu G. Recyclingequilibrium strategy for phosphogypsum pollution control in phosphate fertilizer plants. J. Clean. Prod. 2019;215:175–197. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.12.236

2. El Zrelli R., Rabaoui L., Abda H., Daghbouj N., Perez-Lopez R., Castet S., Aigouy T., Bejaoui N., Courjault-Rade P. Characterization of the role of phosphogypsum foam in the transport of metals and radionuclides in the Southern Mediterranean Sea. J. Hazard. Mater. 2019; 63:258–267. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2018.09.083

3. Szajerski P., Celinska J., Bern H., Gasiorowski A., Anyszka R., Dziugan P. Radium content and radon exhalation rate from sulfur polymer composites (SPC) based on mineral fillers. Constr. Build. Mater. 2019;198:390–398. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.11.262

4. Miękoś E., Zieliński M., Kolodziejczyk K., Jaksender M. Application of industrial and biopolymers waste to stabilise the subsoil of road surfaces. Road Mater. Pavement Des. 2017;20(2):440–453. https://doi.org/10.1080/146806292017.1389766

5. James J. Strength benefit of sawdust/wood ash amendment in cement stabilization of an expansive soil. Revista Facultad de Ingenieria, Universidad Pedagogica y Tecnologica de Colombia. 2019;28(50):44–61. https://doi.org/10.19053/01211129.v28.n50.2019.8790

6. Michalovicz L., Muller M.M.L., Tormena C.A., Dick W.A., Vicensi M., Meert L. Soil chemical attributes, nutrient uptake and yield of no-till crops as affected by phosphogypsu doses and parceling in southern Brazil. Archives of Agronomy and Soil Science. 2019;65(3):385–399. https://doi.org/10.1080/03650340.2018.1505041

7. Федотов П.С., Петропавловский И.А., Норов А.М., Малявин А.С., Овчинникова К.Н. Получение PKS-удобрения марки 0-20-20-5S с использованием различного фосфатного сырья. Химическая промышленность сегодня. 2016;(2):6–11.

8. Zhuang Y.F., Li T.Y., Yuan P., Li Y.Q., Yang Y.M., Yang Z.P. The novel red persistent phosphor CaS: Yb2+, Clpotentially applicable in AC LED. Appl. Phys. A. 2019;125(2):141. https://doi.org/10.1007/s00339-019-2447-6

9. Tong X.B., Yang J.X., Wu P.P., Zhang X.M., Seo Y.J. Color tunable emission from CaS: Cu+, Mn2+ rare-earth-free phosphors prepared by a simple carbon-thermal reduction method. J. Alloys Compd. 2018;779:399–403. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.11.325

10. Medennikov O.A., Shabelskaya N.P., Gaidukova Y.A., Astakhova M.N., Chernysheva G.M. The use of phosphoric acid waste product for calcium sulfide production. IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 2021;677(5):052049. https://doi.org/10.1088/1755-1315/677/5/052049

11. Янькова Т.В., Мельников П.В., Яштулов Н.А., Зайцев Н.К. Хемилюминесцентные реакции люминола и N-октиллюминола с гипохлоритом в неионогенных поверхностно-активных веществах. Тонкие химические технологии. 2019;14(3):90–97. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2019-14-3-90-97

12. Get’man E.I., Oleksii Yu.A., Radio S.V., Ardanova L.I. Determining the phase stability of luminescent materials based on the solid solutions of oxyorthosilicates (Lu1−xLnx)[(SiO4)0.5O0.5], where Ln = La−Yb. Tonk. Khim. Tekhnol. = Fine Chem. Technol. 2020;15(5):54–62. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2020-15-5-54-62

13. Tomina E.V., Lastochkin D.A., Maltsev S.A. The synthesis of nanophosphors YPxV1–xO4 by spray pyrolysis and microwave methods. Kondensirovannye sredy i mezhfaznye granitsy = Condensed Matter and Interphases. 2020;22(4):496–503. https://doi.org/10.17308/kcmf.2020.22/3120

14. Rosa J., Lahtinen J., Julin J., Sun Z., Lipsanen H. Tuning of emission wavelength of CaS:Eu by addition of oxygen using atomic layer deposition. Materials. 2021;14(20):5966. https://doi.org/10.3390/ma14205966

15. Wang X., Ke J., Wang Y., Liang Y., He J., Song Z., Lian S., Qiu Z. One-Step Design of a Water-Resistant Green-to-Red Phosphor for Horticultural Sunlight Conversion. ACS Agric. Sci. Technol. 2021;1(2):55–63. 2021;1(2):55–63. https://doi.org/10.1021/acsagscitech.0c00062

16. Arai M., Fujimoto Y., Koshimizu M., Kawamura I., Nakauchi D., Yanagida T., Asai K. Development of rare earth doped CaS phosphors for radiation detection. Journal of the Ceramic Society of Japan. 2020;128(8):523–531. https://doi.org/10.2109/jcersj2.20036

17. Sharma R., Bhatti H.S., Kyhm K. Enhanced transition probabilities and trapping state emission of quencher impurities doped CaS:Mn phosphors. J. Optoelektron. Adv. Mater. 2009;11(1):62–69.