Финансирани проекти

Хидрати и комплекси на магнезиеви сулфати, хлориди, хлорати - синтез, структура, свойства. Поведение в симулирана среда и връзка с екологията

Договор № КП-06-Н64/4

"Хидрати и комплекси на магнезиеви сулфати, хлориди, хлорати - синтез, структура, свойства. Поведение в симулирана среда и връзка с екологията"

Ръководител на научния колектив: Проф. д-р. Росица Петрова Николова
Участници: Проф. д-р Владислав Владимиров Костов, Доц. д-р Красимир Стефанов Косев, Доц. д-р Надя Любомирова Петрова, Доц. д-р Росица Христова Титоренкова, д-р Златка Георгиева Делчева, магистър Никола Веселинов Куванджиев, бакалавър Гергана Георгиева Велянова

Резюме на проекта

Магнезият е един от най-разпространените в природата елементи. Съществената роля на магнезия в неживата и живата природа обуславя високия изследователски интерес към неговите соли и комплекси, които намират широко приложение в строителството, в агрохимията, във фармацията, в хуманната и ветеринарната медицина. В последните две десетилетия се наблюдава увеличаване на интереса към изследванията на солите на магнезия, техните кристалохидрати и комплекси, свързано с откриването на значителни количества сулфатни, хлоратни и хлоридни минерали, главно на магнезий, натрий и калций на Марс. Според съобщения на НАСА първите образци от тази планета ще пристигнат на Земята през 2031г., а до тогава учените разполагат само с аналитичните данни, изпращани от монтираната на марсоходите апаратура. Това провокира редица изследвания на вече познати вещества и процеси, но в симулирани среди, близки до условията на повърхността на Марс – ниски температури, ниски налягания, радиация, специфичен химичен състав на реголита. В този смисъл са формулирани и целите на настоящия проект, а именно изучаване на структурни и фазови трансформации на хидрати на магнезиеви соли – сулфати, хлориди, хлорити и техни производни с малки амидни молекули при температури по-ниски от 273К, налягания по-ниски от атмосферното и среди, наситени на CO2. Резултатите от изучаване на магнезиевите комплекси са изключително важни и за постигане на по-ефективна и щадяща природата агрохимия, тема актуална през последните десетилетия. Това е причина успоредно с изследването на физико-химичните отнасяния на магнезиевите кристалохидрати и техните комплекси да си поставяме задачи за формулиране на нестандартни – екологично щадящи методи за получаване на магнезиеви комплекси. Дейностите по изпълнение на проекта са разпределени в пет работни пакета, като всеки пакет има определен ръководител, чиято роля ще бъде да следи за изпълнението на различните дейности, да обобщава и представя пред екипа на проекта получените резултати (РП1,2,3), да предлага подходящи начини за разпространение на резултатите (РП4) и да споделя възможности за поефективно участие на младите учени в процеса на изпълнение на проекта (РП5). Научните резултати ще бъдат широко разпространени, чрез тяхното представяне на научни форуми и публикуване в научни списания с импакт фактор, в реферирани и индексирани в международните научни бази данни списания. Със значение за научната общност ще бъдат следните резултати:

Ще се определят фазовите превръщания на изследваните съединения във физикохимични условия, различни от типичните за Земната повърхност;

• Ще се формулират методики за екологично щадящи синтези на хидрати и комплекси на магнезиеви сулфати, хлориди и хлорати;

• Да се определят енергийните и структурни зависимости на връзката магнезийлиганд и тяхната роля за поведението на магнезия в разтвор или в твърда фаза;

• Посочените по-горе резултати ще бъдат представени на поне 4 научни форума и 4 научни публикации в списания с импакт фактор, реферирани и индексирани в международните научни бази данни Scopus и/или Web of Science.

Abstract of the research project

Magnesium is one of the most abundant elements in nature. The essential role of magnesium in non-living and living nature determines the high research interest in its salts and complexes, which are widely used in construction, in agrochemistry, in pharmacy, in human and veterinary medicine. The last two decades have seen an increase in interest in the study of magnesium salts, their crystal hydrates and complexes, associated with the discovery of significant amounts of sulfate, chlorate, and chloride minerals, mainly magnesium, sodium, and calcium, on Mars. According to NASA reports, the first samples from this planet will arrive on Earth in 2031, and until then scientists will only have the analytical data sent by the equipment installed on the Mars rovers. This provoked a number of studies of already known substances and processes, but in simulated environments close to the conditions on the surface of Mars - low temperatures, low pressures, radiation, specific chemical composition of the regolith. In this sense, the goals of the current project were formulated, namely the study of structural and phase transformations of hydrates of magnesium salts - sulfates, chlorides, chlorites and their derivatives with small amide molecules at temperatures lower than 273K, pressures lower than atmospheric and CO2 saturated environments. The results of studying magnesium complexes are extremely important for achieving more effective and nature-friendly agrochemistry, a topical topic in recent decades. This is the reason, in parallel with the study of the physico-chemical properties of magnesium crystal hydrates and their complexes, that we set ourselves the task of formulating non-standard – environmentally friendly methods for obtaining magnesium complexes. The project implementation activities are divided into five work packages, and each package has a designated manager, whose role will be to monitor the implementation of the various activities, to summarize and present the results obtained to the project team (RP1,2,3), to suggests appropriate ways to disseminate the results (FP4) and share opportunities for more effective participation of young scientists in the project implementation process (FP5). Scientific results will be widely disseminated, through their presentation at scientific forums and publication in scientific journals with an impact factor, in refereed and indexed journals in international scientific databases. The following results will be relevant to the scientific community:

• The phase transformations of the studied compounds will be determined in physico-chemical conditions different from those typical for the Earth's surface;

• Methods will be formulated for ecologically friendly syntheses of hydrates and complexes of magnesium sulfates, chlorides and chlorates;

• To determine the energy and structural dependences of the magnesium-ligand bond and their role in the behavior of magnesium in solution or in the solid phase;

• The above-mentioned results will be presented in at least 4 scientific forums and 4 scientific publications in journals with an impact factor, referenced and indexed in the international scientific databases Scopus and/or Web of Science.

Използване на български мергелови суровини с добавки от други природни и индустриални източници за синтез на висококачествени керамики тип „жълти павета"

Договор № КП-06-ПН67/13 от 14.12.2022 по научно-изследователски проект
№ КП-06-ПН67/36 – СУНИ BG 175467353-2022-04-0234 тип 2

"Използване на български мергелови суровини с добавки от други природни и индустриални източници за синтез на висококачествени керамики тип „жълти павета"

Ръководител на проекта: Проф. д-р Александър Караманов, ИФХ-БАН
Координатор на проекта за ИМК-БАН: Проф. д-р Владислав Костов

Членове на колектива от ИМК-БАН: Доц. д-р Александър Николов; д-р Златка Делчева; геолог Гергана Велянова

Резюме на проекта:

Използване на български мергелови суровини с добавки от други природни и индустриални източници за синтез на висококачествени керамики тип „жълти“ павета Цел на проекта е категорично да се демонстрира възможността за синтез на клинкери, тип „жълти“ павета, които изцяло да наподобяват по състав, структура, външен вид и механични свойства оригиналния исторически паваж в София. Предвижда се, след изучаване и охарактеризиране на различни мергелови находища в страната, към основната мергелова глина да се добавят до 10 % от подходящи природни суровини и индустриални отпадъци, богати на MgO и железни оксиди. Това ще гарантира образуването на желаните количества и вид пироксенова и анортитна кристални фази, което обяснява изключително добрите механични показатели на тази уникална настилка. За подобряване на технологичната схема, повишаване на качеството на изделията и съкращаване на времената на изпичане се планират изследвания за редуциране на началната порьозност и оттам на огневата свиваемост на керамиките. Тези експерименти ще са свързани основно с изучаване на ефекта от предварително калциниране на част от суровини. Очаква се това да доведе до подходящо намаляване типичната за мергеловите глини висока пластичност.

Паралелно ще се изследва възможността за получаване на кликерни изделия от индустриални отпадъци с добавка на някои от охарактеризираните мергелови глини. Това би дало възможност за получаване на нови анортитни или пироксенови клинкери с подобрени свойства и понижена температура на изпичане при използване на индустриални отпадъци с ниско съдържание на СаО. До момента подобни керамики са получавани само от отпадни суровини, богати на калциев окис, и традиционни глини.

В края на проекта се планира да се изследва и възможността за използване на микровълнова термообработка при производствения цикъл. Очаква се тези изследвания да покажат дали е възможно да се съкрати допълнително времето и цената на производствения процес.

Проектното предложение е подчертано интердисциплинарно и в него участват три партньорски организации с различна професионална ориентация. Ръководителят на проекта е единствения активен български учен в направление „материали“, който е включен в списъците за 2% на найдобрите учени в света за 2020 и 2021 г.. В екипа участват и други изявени учени, носителят на наградата за „млад учен“ в направление „Нанонауки, нови материали и технологии“ в конкурс 2021 г. на БАН, както и успешни пост-докторанти, млади учени и студенти.

При изпълнението на проекта ще се използват различни научно-изследователски методи, което е възможно поради наличието на разнообразна научна апаратура в участващите организации. Част от тази апаратура все още е уникална за България.

Abstract of the project:

Use of Bulgarian marl raw materials with additives from other natural and industrial sources for the synthesis of high-quality ceramics of the "yellow" pavers type The aim of this project is to definitely demonstrate the possibility of synthesizing clinkers, a type of "yellow" pavers, which fully resemble the original historical pavement in Sofia in terms of composition, structure, appearance and mechanical properties. It is foreseen, after studying and characterizing different marl deposits in the country, to add up to 10% of suitable natural raw materials or industrial waste, rich in MgO and iron oxides, to the main marl clay. This will ensure the formation of the desired quantities and type of pyroxene and anorthite crystal phases, which explains the very good mechanical properties of this unique pavement. In order to improve the technological scheme, increase the quality of the products and shorten the firing times, studies to reduce the initial porosity and the fire shrinkage of the ceramics are planned. These experiments will mainly be related to study the effect of preliminary calcination of a part of raw materials. This preliminary treatment can reduce the high plasticity of the marl clays.

In parallel, the possibility of obtain clicker products from industrial waste with the addition of some of the characterized marl clays will be investigated. This would make it possible to obtain new anorthite or pyroxene clinkers with improved properties and reduced firing temperature using industrial waste with a low CaO content. Until now, such ceramics have only been obtained from waste raw materials rich in calcium oxide and traditional clays.

At the end of the project, it is planned to study the possibility to use microwave heat treatment in the production cycle. These studies are expected to show whether it is possible to further reduction of the time and cost of the production process.

The project proposal is interdisciplinary and involves three partner organizations with different professional orientations. The head of the project is the only active Bulgarian scientist in the field of "materials" who is included in the lists of 2% of the best scientists in the world for 2020 and 2021. The team also includes other noticeable scientists, the winner of the award for "young scientist" in the field of "Nanosciences, new materials and technologies" in the 2021 competition of the BAS, as well as successful post-doctoral students, young scientists and students.

Various research methods will be used during the the project, which is possible due to the availability of numerous scientific equipment in the participating organizations. Part of this equipment is still unique for Bulgaria.