Статья: Синтез и физико-химические свойства магний - алюминиевого сорбента со структурой гидроталькита

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цель и задачи исследования, отражена научная новизна и практическая значимость работы, а также основные положения диссертации, выносимые на защиту.

В первой главе представлен анализ состояния исследований по составу, структуре и свойствам, методам получения, возможным областям применения сорбентов на основе оксидов и гидроксидов металлов. Рассмотрены технические решения, применяемые для получения этих материалов в гранулированном виде. Приведены данные об устойчивости и формах состояния исследуемых анионов в водных растворах. Обсуждены современные представления о взаимодействии ионов с соответствующими гидроксидами и имеющиеся методы прогнозирования его результатов. Показано, что сведения о механизме сорбции и десорбции для данного класса сорбентов весьма ограничены, что затрудняет синтез новых видов неорганических сорбентов с заданной структурой.

Во второй главе представлены методики синтеза, гранулирования и исследования физико-химических свойств сорбентов. В работе применены методы рентгенофазового, ИК - спектроскопического, химического, атомно-адсорбционного анализа, потенциометрического титрования. Величину удельной поверхности образца определяли по низкотемпературной адсорбции азота хроматографическим методом с последующей обработкой полученных результатов по методу БЭТ. Для определения пористости использована ртутная порометрия.

В третьей главе описана методика синтеза совместно осажденных гидроксидов и приведены основные результаты исследования физико-химических свойств, а так же данные по изучению сорбции ионов CrO42, [Fe(CN)6]3-, [Fe(CN)6] 4-, [Hg I4]2 на синтезированном сорбенте.

Для синтеза совместно осажденных гидроксидов магния и алюминия использовали 1,0 н растворы хлоридов магния и алюминия, смешанных в соотношении 4:1, по литературным данным признанным оптимальными. Полученную смесь при интенсивном перемешивании добавляли к 1н раствору гидроксида натрия. Значение рН поддерживали в интервале 9,6-10. Осадок выдерживали в маточном растворе в течение 24 часов, затем отмывали дистиллированной водой методом декантации до отрицательной реакции на ионы С1- как в растворе, так и в самом осадке, после чего осадок отжимали и подвергали гранулированию, помещая пастообразный материал в формы и высушивая при температуре 1200С. Известно, что при замачивании высушенного материала в воде происходит частичное растрескивание исходных гранул. Причиной разрушения является возникновение напряжения, вызванного его усадкой при высушивании. В сухом материале эти напряжения компенсируются силами сцепления отдельных твердых фрагментов, при замачивании возникает дополнительная нагрузка, обусловленная образованием двойного электрического слоя на стенках пор или давлением, возникающим при заполнении капиллярной системы раствором. Эти процессы могут происходить в ходе эксплуатации сорбента. Поэтому для увеличения осмотической устойчивости применяли золь-гель процесс. Смесь солей хлоридов магния и алюминия, взятых в соотношении 4:1 капельно диспергировали в большую емкость с раствором NaOH, где происходит образование частиц твердой фазы. После отверждения гель-сферы промывали водой, а затем высушивали.

При использовании золь-гель процесса, продуктом реакции является не аморфный осадок, а сферические частицы геля размером 5-8 мм. Согласно литературным данным малые размеры частиц геля приводят к относительно небольшим линейным усадкам в ходе высушивания гидрогеля, что в свою очередь, препятствует возникновению и развитию трещин в высушиваемом материале. Данный метод получения позволяет получать сорбенты прочность гранул, которых значительно превосходит этот показатель для материалов, изготовленных путем осаждения в свободном объеме. Выбирая методику получения совместно осажденных гидроксидов с использованием золь-гель процесса, исходили из того, что она обеспечивает получение достаточно прочных гранул доступных для массообменных процессов. Следует отметить, что в данном случае не следует добавлять связующее вещество, так как гидроксид магния способен к поликонденсации с образованием механически прочных структур.

Для характеристики структуры СОГ проведен рентгенофазовый анализ, метод ИК-спектроскопии Полученные данные подтвердили образование структуры типа гидроталькита с примесью фазы брусита (Mg(OH)2).

На ИК-спектрах образцов СОГ магния и алюминия (рис. 1) проявляется узкая полоса поглощения ν (ОН) в области 3660 -3620 см-1, которая отвечает валентным колебаниям связи ОН не возмущенным водородными связями и свидетельствующая о присутствии фазы Mg(OH)2. Полоса при 1595см-1 принадлежит деформационным колебаниям воды, полосы при 1020, 860 и 735 см-1вызваны деформационными колебаниями групп ОН ˉ гидроксидов, связь Ме – О дает слабые полосы поглощения в области 510 – 470 см-1.

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 ν см-1

Рис. 1. ИК - спектр СОГ магния и алюминия

Одним из основных свойств неорганических сорбентов является структура порового пространства.

Для характеристики пористой структуры определяли: удельную поверхность; объем пор, отнесенный к массе сорбента; распределение пор по эквивалентным радиусам.

Размеры микропор (радиус меньше 0.15нм) соизмеримы с размерами адсорбируемых молекул, поэтому систему микропористый адсорбент-адсорбат рассматривают как однофазную, именно в микропорах размещаются сорбируемые ионы.

Мезопоры (радиусы от 0.15 до 200нм) обеспечивают транспорт ионов в пределах гранул. При этом адсорбция электролитов на поверхности данных пор приводит к образованию двойного электрического слоя и возникновению расклинивающего давления.

Макропоры (от 200 до 2000нм) рассматриваются как система магистральных трещин, развитие которых под действием нагрузок, возникающих в мезопорах, приводит к разрушению гранулы.

Адсорбционно-структурные характеристики образца совместно осажденного гидроксида высушенного при температуре 120 0С приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Адсорбционно-структурные характеристики образца СОГ

Удельная поверхность, м2/г	Общий объем пор, см3/г	Распределение пористости по эквивалентным радиусам, нм
		3-10	10 -102	102 – 103	103-104	104 -3 104
135	0,34	0,135	0,147	0,012	0,028	0,008

Полученные результаты показывают возможность применения полученного СОГ в качестве сорбента.

Известно, что в зависимости от рН раствора Сr(VI) может существовать в виде как протонированных, так и депротонированных форм, кроме того состояние Сr(VI) в растворе также зависит от его собственной концентрации. Катионы ртути (II) в водных растворах в зависимости от рН и концентрации галогенид ионов могут существовать в следующих формах: HgНаI2, [HgНаI3], [HgНаI4] 2-, HgОНСI, Hg(ОН)2. На рис. 2 представлены зависимости изменения содержания комплексов ртути (II) в растворах солей NaHaI.

Рис.2. Графики зависимости процентного содержания комплексов ртути (II) от концентрации NaHaI в растворах.

a) NaCI , б) NaBr в) NaI ;

1-HgСI2 , 2-[HgСI3]-, 3-[HgСI4]2-, 4- HgBr2 , 5- [HgBr3]-, 6-[HgBr4]2-,7-[Hg I4]2-.

Анализ концентрационных диаграмм показывает, что в разбавленных растворах в присутствии NaCI при малом содержании ионов хлора преобладают нейтральные молекулы HgСI2, при увеличении концентрации NaCI до 0,1 моль/ л количество анионных комплексов возрастает до 35-40 %, в присутствии NaBr или NaI в тех же количествах, что и NaCI в первом случае содержание HgBr2 составляет 10- 15 % , при увеличении концентрации NaBr до 0,15 моль/ л в растворе присутствуют только анионные комплексы состава [HgBr3] - и [HgBr4] 2-, для иодидных растворов во всем диапазоне исследуемых концентраций присутствуют только комплексы состава [Hg I4] 2- .

Изучение сорбционной активности сорбентов на основе СОГ проводили в статических условиях по стандартным методикам, при этом использовали гранулы в виде шариков диаметром 2,5-3 мм. В качестве адсорбатов использовали Сr(VI), [Fe(CN)6]4- , [Fe(CN)6] 3- , [Hg На14] 2-. Результаты лабораторных исследований сорбции Cr (VI) представлены в таблице 2.

Таблица 2