Синтез та фізико-хімічні властивості магній - алюмінієвого сорбенту зі структурою гідроталькіта

Новоселецький Оксана В'ячеславівна

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук

Краснодар-2007

Робота виконана на кафедрі неорганічної хімії Кубанського державного технологічного університету

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи:

Рішення проблеми запобігання забруднень навколишнього середовища залежить від успішного рішення завдання очищення промислових стічних вод від іонів важких металів. Нерідко виникає необхідність видалення з промислових стічних вод гальванічних виробництв гексаціаноферрат-і хромат-аніонів. У виробництві коштів молекулярної електроніки, антикорозійних добавок в хімічні джерела струму існують окремі ділянки, пов'язані з переробкою ртуті і її сполук, що вимагає рішення задачі, пов'язаної із знешкодженням ртутьвмісних скидів. Очищення виробничих стоків ртуті до рівня ГДК (0,005 мг) можлива тільки з використанням сорбционной технології.

В зв'язку з цим створення на основі гідроксидів металів іонообмінних матеріалів, що дозволяють за рахунок високих ємнісних і кінетичних характеристик здійснити глибоке очищення технологічних стоків від токсичних аніонів і катіонів, є надзвичайно важливим завданням. Слід зазначити, що цілий ряд ефектів, використовуваних для поділу іонів за допомогою неорганічних сорбентів, в принципі не може бути ефективно використаний із застосуванням іонообмінних матеріалів на основі органічних полімерів.

Дослідження, проведені в кінці минулого століття Львовичем Б.І., Сальникова В.О., Науменко Л.В., Вольхіним В.В., Сухарєвим Ю.І., Волович А.М., Барковський І.П., Павловичем Ю.А., Бічіним Н.А., Сметанкіним В.І., Окіпної Н.Т., гомоном В.М., Оратівський В.А., Комісарове Л.М., Шацьких В.М., Мойсеєвим В.Е., дозволили розробити широкий спектр неорганічних матеріалів, однак вони не завжди відповідали вимогам, що дозволяє широко використовувати їх на практиці. Тому проблема створення працездатних неорганічних іонообмінних матеріалів, володіють достатньою механічною міцністю, осмотичній стійкістю, прийнятною кінетикою масообмінних процесів до цих пір є достатньо актуальною. Аналіз літературних даних показав, що найбільш перспективними є сорбенти на основі подвійних гідроксидів металів зі структурою гідроталькіта.

Диссертационная робота виконана відповідно до теми НДР Кубанського державного технологічного університету «Наукові дослідження вищої школи в галузі хімії та хімічних продуктів. Розробка нових шляхів синтезу та дослідження фізико-хімічних властивостей систем на основі оксидів і гідроксидів »(№ державної реєстрації 01200511295).

Метою роботи є синтез неорганічного сорбенту зі структурою гідроталькіта на основі спільно обложеного гідроксиду магнію і алюмінію з використанням золь-гель процесу, дослідження механізму взаємодії між аніонами і сорбентом. Визначення кінетичних характеристик процесів сорбції та десорбції.

В ході виконання дослідження вирішувалися наступні завдання:

* Синтез спільно обложеного гідроксиду магнію і алюмінію з використанням золь-гель процесу.

* Визначення адсорбційно-структурних характеристик сорбенту.

* Встановлення механізму взаємодії аніонів Cr (VI), Hg (II), [Fe (CN) 6] 3 -, [Fe (CN) 6] 4 - з спільно обложеним гідроксидом магнію та алюмінію.

* Вивчення динаміки сорбції.

* Визначення кінетичних характеристик процесів сорбції вказаних аніонів спільно обложеним гідроксидом магнію та алюмінію.

* Розробка рекомендації з ефективного використання отриманих сорбентів для очищення стічних вод гальванічних виробництв.

Наукова новизна роботи:

Запропоновано новий спосіб одержання магній-алюмінієвого сорбенту зі структурою гідроталькіта з використанням золь-гель процесу, досліджено його сорбційна здатність по відношенню до іонів CrO42-, [Fe (CN) 6] 3, [Fe (CN) 6] 4 -, [Hg I4] 2 -.

Встановлено механізми взаємодії зазначених аніонів до спільно обложеним гідроксидом магнію і алюмінію зі структурою гідроталькіта.

З використанням програми FAVORIT отриманий атлас рішень системи диференціальних рівнянь для моделювання процесу сорбції в динамічних умовах.

Визначено сорбційно-кінетичні показники, що характеризують процес іонного обміну на синтезованому сорбенті.

Показана принципова можливість застосування розробленого сорбенту для сорбції CrO42-, [Fe (CN) 6] 3 -, [Fe (CN) 6] 4 -, [Hg I4] 2 -.

Практична значимість роботи: Синтезовано сорбент на основі гідроксидів магнію і алюмінію, який може застосовуватися для вилучення аніонів CrO42-, [Fe (CN) 6] 3 -, із стічних вод гальванічних виробництв. Проведено напівпромислові випробування отриманого сорбенту на ОАОТ «Краснодарський ЗІП». Пропонована технологія сорбції дозволить очистити стоки гальванічного цеху від хрому (VI), [Fe (CN) 6] 3 -- до норм ГДК. Отримані результати можуть бути використані при проведенні лекцій, а також практичних занять з курсу «Екологія» в КубГТУ та інших технічних університетах.

На захист виносяться:

1. Рекомендації щодо вибору методів синтезу і гранулювання неорганічних іонітів для забезпечення найбільш сприятливого кінетичного режиму.

2. Дані досліджень фізико-хімічних властивостей спільно обложеного гідроксиду з шаруватим типом структури на основі гідроксидів магнію та алюмінію.

3. Результати експериментальних досліджень динаміки сорбції, її теоретичне опис на основі отриманих кінетичних рівнянь.

4. Результати експериментальних досліджень кінетики іонного обміну на СОГ з шаруватим типом структури на основі гідроксидів магнію та алюмінію із застосуванням математичних моделей.

Апробація роботи: Матеріали дисертації доповідалися та обговорювалися на Всеросійській науково-практичної конференції «Захисні покриття в машинобудуванні та приладобудуванні », Пенза, 2005 г, VII Всеросійській науково-технічної конференції «Нові хімічні технології: виробництво і застосування», Пенза, Серпень 2005 р, II Міжнародний симпозіум «Розділення та концентрування в аналітичної хімії і радіохімії », Краснодар, вересень 2005 р, VIII Міжнародної науково-практичної конференції «Екологія і життя», Пенза, 24-25 листопада 2005 р, III Міжнародної науково-практичної конференції «Теоретична і експериментальна хімія »», Караганда, 21-22сентября 2006р., III Міжнародній науково-практичної конференції «Проблеми екології: наука, промисловість, освіта », Білгород, 25-27октября2006г

Публікації: Основний зміст дисертаційної роботи опубліковано в 7статьях і 7 тезах доповідей.

Структура і обсяг роботи: Дисертаційна робота, викладена на 120 сторінках машинописного тексту, з них 23 малюнків, 19 таблиць, 1 додатка, складається з введення, чотирьох розділів, загальних висновків, списку літератури з 110 найменувань робіт російських та зарубіжних авторів.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Під введенні обгрунтована актуальність обраної теми, сформульовані мета і завдання дослідження, відображена наукова новизна і практичне значення роботи, а також основні положення дисертації, що виносяться на захист.

В першому розділі представлено аналіз стану досліджень з складу, структури та властивостями, методів отримання, можливим областях застосування сорбентів на основі оксидів і гідроксидів металів. Розглянуто технічні рішення, що застосовуються для отримання цих матеріалів у гранульованому вигляді. Наведено дані про стійкості і формах стану досліджуваних аніонів у водних розчинах. Обговорено сучасні уявлення про взаємодію іонів з відповідними гідроксиду і наявні методи прогнозування його результатів. Показано, що відомості про механізм сорбції та десорбції для даного класу сорбентів вельми обмежені, що ускладнює синтез нових видів неорганічних сорбентів з заданою структурою.

Під другому розділі представлені методики синтезу, гранулювання і дослідження фізико-хімічних властивостей сорбентів. У роботі застосовані методи рентгенофазового, ІК - спектроскопічного, хімічного, атомно-адсорбційного аналізу, потенціометричного титрування. Величину питомої поверхні зразка визначали за низькотемпературної адсорбції азоту хроматографічних методів з подальшою обробкою отриманих результатів за методом БЕТ. Для визначення пористості використана ртутна порометрія.

В третьому розділі описана методика синтезу спільно обложених гідроксидів і наведені основні результати дослідження фізико-хімічних властивостей, а так само дані з вивчення сорбції іонів CrO42, [Fe (CN) 6] 3 -, [Fe (CN) 6] 4 -, [Hg I4] 2 на синтезованому сорбенті.

Для синтезу спільно обложених гідроксидів магнію та алюмінію використовували 1,0 н розчини хлоридів магнію та алюмінію, змішаних у співвідношенні 4:1, по літературними даними визнаним оптимальними. Отриману суміш при інтенсивному перемішуванні додавали до 1н розчину гідроксиду натрію. Значення рН підтримували в інтервалі 9,6-10. Осад витримували в маточному розчині в протягом 24 годин, потім відмивали дистильованою водою методом декантації до негативної реакції на іони С1-як у розчині, так і в самому осаді, після чого осад віджимають і піддавали гранулювання, розміщуючи пастоподібний матеріал у форми і висушуючи при температурі 1200С. Відомо, що при замочуванні висушеного матеріалу у воді відбувається часткове розтріскування вихідних гранул. Причиною руйнування є виникнення напруги, викликаного його усадкою при висушуванні. У сухому матеріалі ці напруги компенсуються силами зчеплення окремих твердих фрагментів, при замочуванні виникає додаткове навантаження, обумовлена утворенням подвійного електричного шару на стінках пір або тиском, що виникають при заповненні капілярної системи розчином. Ці процеси можуть відбуватися в ході експлуатації сорбенту. Тому для збільшення осмотичній стійкості застосовували золь-гель процес. Суміш солей хлоридів магнію та алюмінію, взятих у співвідношенні 4:1 крапельно дисперговані у велику ємність з розчином NaOH, де відбувається утворення часток твердої фази. Після затвердіння гель-сфери промивали водою, а потім висушували.

При використанні золь-гель процесу, продуктом реакції є не аморфний осад, а сферичні частинки гелю розміром 5-8 мм. Згідно з літературним даними малі розміри часток гелю приводять до відносно невеликим лінійним усадок під час висушування гідрогелю, що в свою чергу, перешкоджає виникнення і розвитку тріщин в висушуємо матеріалі. Даний метод отримання дозволяє одержувати сорбенти міцність гранул, яких значно перевершує цей показник для матеріалів, виготовлених шляхом осадження в вільному обсязі. Вибираючи методику отримання спільно обложених гідроксидів з використанням золь-гель процесу, виходили з того, що вона забезпечує отримання досить міцних гранул доступних для масообмінних процесів. Слід зазначити, що в даному випадку не слід додавати сполучна речовина, так як гідроксид магнію здатний до поліконденсації з утворенням механічно міцних структур.

Для характеристики структури СОГ проведено рентгенофазового аналіз, метод ІЧ-спектроскопії Отримані дані підтвердили освіта структури типу гідроталькіта з домішкою фази брусіта (Mg (OH) 2).

На ІЧ-спектрах зразків СОГ магнію та алюмінію (рис. 1) виявляється вузька смуга поглинання