ФГАОУ ВО «НИТУ «МИСиС», Москва, Россия:
Тиен Хиеп Нгуен, аспирант кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных материалов (ФНСиВТМ), лектор ГТУ им. Ле Куй Дона (Ханой, Вьетнам), эл. почта: htnru7@yandex.ru

Технологический институт, Ханой, Вьетнам:
Ван Мин Нгуен, канд. техн. наук, эл. почта: chinhnhan88@gmail.com

Проведено изучение кинетики процесса получения нанопорошка металлического железа водородным восстановлением гидроксида α-FeOOH в изотермических условиях. Нанопорошок α-FeOOH заранее получали химическим осаждением из водных растворов нитрата железа Fe(NO₃)₃ (10 % (мас.)) и щелочи NaOH (10 % (мас.)) при комнатной температуре, рН = 11 при условии непрерывного перемешивания. Процесс водородного восстановления нанопорошка α-FeOOH при изотермических условиях проводили в трубчатой печи при температурах от 390 до 470 °C. Исследование кристаллической структуры и состава порошков выполняли методом рентгенофазового анализа (РФА). Удельная поверхность S_уд образцов измеряли методом БЭТ по низкотемпературной адсорбции азота. Средний размер частиц порошков D_ср рассчитали по данным измерения величины удельной поверхности. Размерные характеристики и морфологию частиц изучали на просвечивающем и сканирующих электронных микроскопах. Расчет кинетических параметров процесса водородного восстановления α-FeOOH при изотермических условиях проводили с помощью модели Грея – Веддингтона и уравнения Аррениуса. Показано, что константа скорости восстановления при 470 °C примерно в 2,2 раза больше, чем в случае при 390 °C. Значение эффективной энергии активации процесса получения нанопорошка Fe водородным восстановлением α-FeOOН составило ~38 кДж/моль, что свидетельствует о смешанном режиме реагирования. В этом случае кинетика общего процесса лимитируется как кинетикой химической реакции, так и кинетикой диффузии, соответственно, целесообразным путем ускорения процесса является повышение температуры либо устранение диффузионного слоя продукта восстановления путем интенсивного перемешивания. Выявлено, что наночастицы Fe, полученные водородным восстановлением его гидроксида при температуре 410 °C, соответствующей максимальной удельной скорости процесса восстановления, главным образом имеют неправильную форму, равномерно распределяются, размер их колеблется от нескольких десятков до 100 нм со средним значением 75 нм.

1. Bhushan B. Springer Handbook of Nanotechnology. 4th edition. — Berlin : Springer-Verlag Heidelberg, 2017. — 1500 p. DOI: 10.1007/978-3-662-54357-3
2. Nguyen V. M., Karunakaran G., Nguyen T. H., Kolesnikov E. A., Alymov M. I. Enhancement of structural and mechanical properties of Fe+0.5 % C steel powder alloy via incorporation of Ni and Co nanoparticles // Letters on Materials. 2020. Vol. 10, Iss. 2. P. 174–178. DOI: 10.22226/2410-3535-2020-2-174-178
3. Tavallalia V., Kianib M., Hojatia S. Iron nano-complexes and iron chelate improve biological activities of sweet basil (Ocimum basilicum L.) // Plant Physiology and Biochemistry. 2019. Vol. 144. P. 445–454. DOI: 10.1016/j.plaphy.2019.10.021
4. Nagi Ł., Płużek A. Electrical Strength of Natural Esters Doped by Iron Nanopowder in a Hydrophobic Carbon Shell // Materials. 2020. Vol. 13, Iss. 8. DOI: 10.3390/ma13081956
5. Коваленко Л. В., Фолманис Г. Э., Вавилов Н. С., Алымов М. И. Низкотемпературное водородное восстановление нанокристаллического железосодержащего сырья // Физика и xимия обработки материалов. 2000. № 4. С. 79–81.
6. Alymov M. I., Seplyarskii B. S., Rubtsov N. M., Vadchenko S. G., Kochetkov R. А. et al. Macrokinetic investigation of the interaction mechanism of the pyrophoric iron nanopowder compacts with air // Pure and Applied Chemistry. 2020. Vol 92, Iss. 8. P. 1321–1328. DOI: 10.1515/pac-2019-1112
7. Алымов М. И., Анкудинов А. Б., Тихомиров С. А., Евстратов Е. В., Арсенкин А. М. Влияние режимов спекания на механические свойства компактов из железных порошков различной дисперсности // Перспективные материалы. 2006. № 2. С. 87–92.
8. Алымов М. И., Аверин С. И., Евстратов Е. В. Термическая стабильность нанокристаллического железа // Физика и xимия обработки материалов. 2004. № 4. С. 90–91.
9. Конюхов Ю. В. Применение нанопорошков железа для очистки сточных вод от ионов свинца, меди и цинка // Сталь. 2018. № 2. С. 62–68.
10. Crane R. A., Scott T. Nanoscale zero-valent iron: future prospects for an emerging water treatment technology // Journal of Hazardous Materials. 2012. No. 211. P. 112–125. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2011.11.073
11. Huber D. L. Synthesis, properties, and applications of iron nanoparticles // Small. 2005. No. 1. P. 482–501. DOI: 10.1002/smll.200500006
12. Yan W., Lien H. L., Koel B. E. Iron nanoparticles for environmental clean-up: recent developments and future outlook // Environmental Science: Processes and Impacts. 2013. No. 15. P. 63–77. DOI: 10.1039/C2EM30691C
13. Gobinath R., Datta S. P., Singh R. D., Manasa V. Effect of mode and source of iron nano particles on the biological properties of the calcareous soil // International Journal of Chemical Studies. 2020. Vol. 8, Iss. 4. P. 3334–3337. DOI: 10.22271/chemi.2020.v8.i4ap.10166
14. Клингер А., Альтендорфер А., Беттингер Д., Хьюз Г. Д., Аль-Хусейни А. А. и др. Система оптимизации технологического процесса нового поколения для установки прямого восстановления железа // Черные металлы. 2017. № 10. С. 19–27.
15. Koshanova A., Partizan G., Мansurov B., Мedyanova B., Mansurova M. et al. Synthesis of carbon nanostructures on iron nanopowders // Journal of Physics: Conference Series. 2016. Vol. 741. DOI: 10.1088/1742-6596/741/1/012017
16. Нгуен Т. Х., Конюхов Ю. В., Нгуен В. М., Левина В. В., Карпенков Д. Ю. Магнитные свойства нанопорошков Fe, Co, Ni, полученных химико-металлургическим методом // Тезисы XXII Междунар. конф. по постоянным магнитам. 2019. С. 104–105.
17. Каргин Д. Б., Мухамбетов Д. Г., Конюхов Ю. В., Алтынов Е. А., Азнабакиев К. Р. Магнитные свойства нанопорошков железа и его оксидов, полученных из прокатной окалины // Тезисы XXII Междунар. конф. по постоянным магнитам. 2019. С. 106–107.
18. Конюхов Ю. В., Нгуен В. М., Рыжонков Д. И. Кинетические закономерности процессов водородного восстановления нанопорошка α-Fe2O3 при энерго-механической обработке в электромагнитном поле // Физика и химия обработки материалов. 2018. № 1. С. 66–74.
19. Нгуен Т. Х., Нгуен В. М. Влияние поверхностно-активных веществ на дисперсность нанопорошков железа, кобальта и никеля // Известия высших учебных заведений. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2020. № 1. С. 22–28. DOI: 10.17073/1997-308X-2020-22-28
20. Ryzhonkov D. I., Konyukhov Y. V., Nguyen V. M. Kinetic regularities and mechanisms of hydrogen reduction of nanosized oxide materials in thin layers // Nanotechnologies in Russia. 2017. Vol. 12. No. 11-12. P. 620–626. DOI: 10.1134/S1995078017060076
21. Рыжонков Д. И., Арсентьев П. П., Яковлев В. В. Теория металлургических процессов. — М. : Металлургия, 1989. — 392 с.
22. Нгуен В. М., Конюхов Ю. В., Рыжонков Д. И., Котов С. И. Особенности получения нанодисперсных и микронных никелевых порошков водородным восстановлением в вихревом магнитном поле // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2016. № 1. С. 4–11. DOI: 10.17073/1997-308X-2016-1-4-11
23. Колпакова Н. А., Романенко С. В., Колпаков В. А. Сборник задач по химической кинетике. — Томск : Издательство ТПУ, 2008. — 280 с.
24. Усенко А. Е., Паньков В. В., Собеский А. С. Твердофазный синтез магнетита из гематита в восстановительной атмосфере паров этилового спирта // Вестник БГУ. Серия 2. Химия. Биология. География. 2013. № 3. С. 16–21.
25. Гринева О. В., Кантаев И. С., Киселев А. Д., Крайденко Р. И. Хлораммонийное разделение оксида магния и кремния, полученных методом магнетермии диоксида кремния // Известия Томского политех. ун-та. Инжиниринг георесурсов. 2011. Т. 319. № 3. С. 66–69.
26. Schmalzried H. Chemical Kinetics of Solids. — Weinheim : VCH, 1995. — 433 p. DOI: 10.1002/9783527615537
27. Chen H., Zheng Z., Shi W. Investigation on the kinetics of Iron ore fines reduction by CO in a micro-fluidized bed // Procedia Engineering. 2015. Vol. 102. P. 1726–1735. DOI: 10.1016/j.proeng.2015.01.308
28. Рыжонков Д. И., Костырев С. Б. Кинетика восстановительных процессов оксидов при воздействии электромагнитных полей // Известия вузов. Черная металлургия. 1992. № 3. С. 6–8.