Сорбент на основе диоксида титана получен ультразвуковой обработкой реактива TiO2 в среде различных электролитов: дистиллированной воде, растворах NaCl, NaOH, HCl. Исследованы микроструктура полученных сорбентов, элементный состав поверхности, термическая устойчивость, наличие функциональных групп на поверхности, сорбционная активность диоксида титана после обработки ультразвуком. Установлено, что использование ультразвуковой обработки TiO2 увеличивает его сорбционную активность в несколько раз по сравнению с необработанным. Кроме того, среда электролита, в которой происходит ультразвуковое воздействие, изменяет термическую устойчивость сорбента и влияет на его поведение в процессах сорбции-десорбции примесей с поверхности. Максимальной сорбционной активностью обладал сорбент, обработанный ультразвуком в щелочной среде, минимальными – реактив диоксида титана. Диоксид титана, подвергнутый ультразвуковой обработке в нейтральной среде (H2O, NaCl), характеризуется наиболее стабильными характеристиками в процессе сорбции-десорбции.
очистка воды
диоксид титана
ультразвуковая обработка
примеси тяжелых металлов
1. Смирнова В. В., Назаренко О. Б. Применение оксидов и гидроксидов титана для очистки питьевой воды // Перспективы развития фундаментальных наук: труды VIII международной конференции студентов и молодых ученых (Томск, 26-29 апреля 2011 г.). - Томск, 2011. - С.383-385.
2. Смирнова В. В., Назаренко О. Б. Разработка технологии получения нано-пористого сорбента на основе диоксида титана для очистки питьевой воды // Современные техника и технологии: сборник трудов XVII Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых (Томск, 9-13 апреля 2012 г.). - Томск, 2012. - С.393-394.
3. ГОСТ 4011 - 72. Вода питьевая. Методы измерения массовой концентрации общего железа.
4. ГОСТ 4974 - 72. Вода питьевая. Методы определения содержания марганца.
5. Смирнова В. В., Назаренко О. Б. Влияние условий приготовления и ультразвуковой обработки диоксида титана на его сорбционную активность // Перспективы развития фундаментальных наук: труды IX международной конференции студентов и молодых ученых (Томск, 24-27 апреля 2012 г.). - Томск, 2012. - С. 484-486.
ВведениеДля достижения Европейских стандартов качества питьевой воды в России необходимо развитие технологий ее очистки от различных примесей. Наиболее трудной задачей является извлечение из воды растворимых примесей тяжелых металлов и солей жесткости. Для решения этой задачи следует улучшить качество имеющихся сорбентов (активированного угля, цеолитов, кварцевого песка и др.) или разработать новые.
Среди неорганических сорбентов перспективным является диоксид титана , обладающий рядом положительных свойств: биологически неопасен, относится к труднорастворимым соединениям, проявляет полифункциональные свойства при очистке воды от примесей различной природы и под действием излучения обеспечивает бактерицидные свойства.
Целью настоящей работы являлось повышение сорбционной активности диоксида титана путем обработки его поверхности ультразвуком.
Материал и методы исследования
Для выполнения цели было проведено изучение структуры поверхности и термической стабильности реактива диоксида титана (осч), ее изменения при обработке ультразвуком в среде различных электролитов (дистиллированная вода, 0,2 н растворы хлорида натрия, соляной кислоты и гидроксида натрия).
При выполнении работы использовались стандартные методики физико-химического анализа: электронная микроскопия (ЭМ), дифференциально-термический анализ (ДТА), рентгенофазовый анализ (РФА), инфракрасная спектроскопия (ИКС) и другие. Проведение физико-химического анализа осуществлялось с использованием приборов Научно-аналитического центра Томского политехнического университета (термоанализатор Q 600 STD, ИК-Фурье спектрофотометр Nicolet 5700, хромато-масспектрометр). Оригинальной являлась методика предварительной обработки сорбентов и проведение сорбции под воздействием ультразвука (22 кГц, 0,15 Вт/см 2).
В качестве предмета исследования были выбраны растворимые примеси Fe +2 и Mn +2 , реально присутствующие в питьевой воде города Томска. Содержание примесей железа определяли фотометрированием по стандартной методике . Метод основан на взаимодействии ионов железа в щелочной среде с сульфосалициловой кислотой и образовании окрашенного в желтый цвет комплексного соединения. Интенсивность окраски, пропорциональную массовой концентрации железа, измеряли при длине волны 400-430 нм. Содержание примеси марганца анализировали также фотометрированием . Метод основан на окислении соединений марганца до MnO 4 - . Окисление происходит в кислой среде персульфатом аммония или калия в присутствии ионов серебра в качестве катализатора. При этом появляется розовое окрашивание раствора, интенсивность поглощения измеряли в диапазоне длины волн 530 - 525 нм. Для приготовления модельных растворов использовали химические реактивы квалификации чда. Растворы для исследования готовили растворением семиводного сульфата железа (II) и пятиводного сульфата марганца (II). Точность эксперимента повышали построением калибровочного графика и статистической обработкой полученных результатов с вероятностью P = 0, 95: для железа - в диапазоне концентраций от 0,01 до 2,00 мг/л, для марганца от 0,005 до 0,3 мг/л, при ПДК 0,3 и 0,1 мг/л, соответственно.
Результаты исследования и их обсуждение
Согласно результатам электронной микроскопии реактив TiO 2 , обработанный ультразвуком в различных средах (H 2 O, NaCl, NaOH, HCl), представляет собой пористые сфероиды с характерным размером 5 - 30 мкм и агломераты частиц меньшего размера: 2 - 4 мкм с долей микронных и субмикронных (образец S7). При большем увеличении (> 3000 раз) в структуре агломератов видны структурные фрагменты, размеры которых не превышают 1 мкм. Микрофотографии полученных образцов представлены на рисунке 1.
Рис. 1. Микрофотографии диоксида титана, обработанного ультразвуком в щелочной среде: а - увеличение в 100 раз, б - увеличение в 3000 раз
Поверхность обработанного ультразвуком TiO 2 проанализировали на содержание примесей с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, результаты представлены в таблице 1. Сорбционная активность диоксида титана столь высока, что в ряде случаев, вероятно, из недостаточно очищенной дистиллированнй воды на поверхности обнаруживается примесь кремния (0,95 мас. %) и меди (0,68 мас. %).
Таблица 1. Элементный состав образцов диоксида титана, обработанного ультразвуком в среде различных электролитов
|
Элементный состав, мас. % |
|||||||
Согласно ДТА для всех образцов диоксида титана, обработанных ультразвуком, наблюдается десорбция воды при нагревании до 500 ˚С. Типичная термограмма (образец S1) приведена на рисунке 2.
Рис. 2. Типичная термограмма образцов диоксида титана, обработанных ультразвуком в H 2 O, NaOH и HCl - а, в NaCl - б
Как видно из рисунка, термограмма образца TiO 2 , обработанного ультразвуком в растворе хлорида натрия (образец S4), заметно отличается (рис. 2.б) от данных ДТА остальных образцов (рис.2.а). При нагревании до 200 ˚С из образца S4 удаляется слабосвязанная вода, но ее количество в несколько раз меньше, чем для других образцов. В то же время при дальнейшем нагревании в интервале 650 - 900 ˚С происходит более существенное уменьшение веса образца (6,0 мас. %), что связано с термическим разложением оксохлорида TiOCl 2 и его переходом в диоксид TiO 2 .
Инфракрасные спектры пропускания обработанных ультразвуком образцов диоксида титана характеризуются двумя интенсивными полосами поглощения υ (Ti - O) = 650 см -1 и υ (O - H) = 3000 - 3700 см -1 .
Рис. 3. Инфракрасный спектр пропускания образца диоксида титана, обработанного ультразвуком
Кроме того, как видно из рисунка 3, в ИКС присутствуют полосы поглощения слабой интенсивности, характерные для соединений, имеющихся на поверхности сорбента после его обработки и сушки. Полосы поглощения υ (Ti - Cl) в ИКС присутствуют при меньших волновых числах (< 400 см -1), для записи которых требуется иной спектрофотометр.
Для изучения процессов очистки воды были приготовлены модельные растворы железа и марганца растворением точной навески соответствующих солей: 3,0 и 1,0 мг/л. Перед сорбцией примесей порошок диоксида титана подвергали ультразвуковому воздействию в различных средах: дистиллированной воде, 0,2н. растворах NaOH, NaCl и HCl. Длительность обработки составляла 10 мин при мощности ультразвукового воздействия 0,15 Вт/см 2 . К исходному раствору, объемом 100 мл и содержащему 3,0 мг/л ионов Fe +2 , добавляли 0,2 г сорбента, перемешивали и анализировали пробу на остаточное содержание примеси железа (табл.2). Аналогичным образом к 100 мл раствора, содержащего 1,0 мг/л ионов Mn +2 , добавляли 0,2 г того же образца сорбента, перемешивали и через определенное время определяли остаточную концентрацию ионов марганца (табл.2). Результаты приведены в таблице 2.
Таблица 2. Остаточное содержание примесей Fe +2 и Mn +2 после их сорбции образцами TiO 2
|
Образцы сорбента |
Реактив TiO 2 |
||||||||||
|
Введено - найдено |
Введено 3,0 мг/л Fe +2 |
Введено 1,0 мг/л Mn +2 |
Введено 3,0 мг/л Fe +2 |
Введено 1,0 мг/л Mn +2 |
Введено 3,0 мг/л Fe +2 |
Введено 1,0 мг/л Mn +2 |
Введено 3,0 мг/л Fe +2 |
Введено 1,0 мг/л Mn +2 |
Введено 3,0 мг/л Fe +2 |
Введено 1,0 мг/л Mn +2 |
|
|
Найдено, мг/л |
Через 20 мин |
||||||||||
|
Через 60 мин |
|||||||||||
|
Через 24 ч |
|||||||||||
Согласно полученным результатам сорбция примесей диоксидом титана протекала в течение относительно короткого времени: концентрация ионов железа с 3,0 мг/л минимально снижается до 1,42 мг/л (реактив) и максимально до 0,53 мг/л (образец S7), в то же время снижение концентрации ионов марганца с 1,0 мг/л наблюдали для того же образца сорбента, что и для примеси железа - минимально до 0,56 мг/л, максимально до 0,24 мг/л. Лучшие результаты получены для образца диоксида титана S7, обработанного ультразвуком в растворе NaOH, а минимальными сорбционными характеристиками обладал исходный TiO 2 , не обработанный ультразвуком и не активированный химическими реагентами. Таким образом, снижение концентрации примеси железа составило 5,7 раза, марганца - 4,2 раза .
При увеличении времени контакта сорбента с модельными растворами содержание примесей не изменялось для образца не обработанного TiO 2 , для образцов, полученных в воде(S1) и растворе хлорида натрия (S4), содержание примесей практически не изменялось в течении 48 часов. В то же время образец сорбента, приготовленный в гидроксиде натрия (S7), характеризовался повышением концентрации железа до 0,90 - 1,06 мг/л и повышением концентрации ионов марганца до 0,47 - 0,74 мг/л. В отличие от рассмотренных выше образцов TiO 2 , обработанный в соляной кислоте (S10) характеризовался плавным снижением концентрации ионов железа в растворе с 1,12 до 0,53 мг/л и снижением концентрации ионов марганца с 0,31 до 0,25 мг/л.
Выводы
- Ультразвуковая обработка TiO 2 дает положительный результат: в сравнении с необработанным сорбентом остаточная концентрация примесей железа и марганца уменьшилась в несколько раз. Обработка сорбента, проведенная в различных средах, изменяет его поведение в процессах сорбции - десорбции во времени.
- Максимальной сорбционной активностью обладал сорбент, обработанный ультразвуком в щелочи, но при длительном контакте происходило вымывание примесей, как железа, так и марганца. В то же время образец сорбента, полученный в кислой среде, характеризовался плавным снижением концентрации примесей железа и марганца в растворе.
- Стабильные характеристики по отношению к процессу сорбции - десорбции имели образцы диоксида титана, приготовленные в дистиллированной воде и растворе хлорида натрия: после сорбции концентрация примесей не изменялась при контакте сорбента с модельными растворами в течение 48 часов. Влияние обработки TiO 2 и pH среды на его сорбционную активность, вероятно, связана с формированием в щелочной и кислой средах оксогидроксидных структур, способных к катионному обмену и удержанию примесей тяжелых металлов.
Рецензенты:
- Коробочкин Валерий Васильевич, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой общей химической технологии ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г. Томск.
- Ильин Александр Петрович, д.ф.-м.н., профессор, и.о. заведующего кафедрой общей и неорганической химии ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г. Томск.
Библиографическая ссылка
Смирнова В.В. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ, СВОЙСТВ И ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ НА СОРБЦИОННУЮ АКТИВНОСТЬ ДИОКСИДА ТИТАНА // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 5.;URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=6958 (дата обращения: 01.02.2020). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2015, том 89, № 1, с. 133-136
ФОТОХИМИЯ И МАГНЕТОХИМИЯ
УДК 544.526.5+549.514.6.352.26
ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ И СОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ДИОКСИДА ТИТАНА, МОДИФИЦИРОВАННОГО КАЛЬЦИЕМ © 2015 г. Т.А. Халявка, Н.Н. Цыба, С.В. Камышан, Е.И. Капинус
Национальная академия наук Украины, Институт сорбции и проблем эндоэкологии, Киев
E-mail: [email protected] Поступила в редакцию 05.02.2014 г.
Синтезированы мезопористые образцы диоксида титана, модифицированного кальцием. Исследованы их структурные, фотокаталитические и сорбционные свойства. Установлено, что модифицированные образцы отличаются от диоксида титана своими характеристиками и свойствами: удельная поверхность и средний объем пор увеличиваются, а средний радиус пор уменьшается; фотокаталитическая и сорбционная активность по отношению к красителям и бихромат-аниону возрастает.
Ключевые слова: диоксид титана, кальций, фотокатализ, сорбция, красители, бихромат-анион. DOI: 10.7868/S0044453715010124
При фотокаталитическом способе очистки водных растворов от токсических веществ в большинстве случаев используется диоксид титана, который является дешевым и нетоксичным катализатором . Кроме того, после окончания реакции его можно легко отделить от раствора фильтрованием или центрифугированием. В настоящее время все большее значение приобретают фотокаталитические методы удаления вредных веществ из водных растворов с помощью диоксида титана.
Основным недостатком этого фотокатализатора является недостаточно высокая активность. Известны различные методы повышения его фотоактивности, например, за счет увеличения адсорбции субстрата или повышения кинетической константы скорости. Адсорбцию можно увеличить за счет роста удельной поверхности, емкости монослоя и объема пор, а кинетическую константу скорости путем разделения зарядов и уменьшения скорости рекомбинации пары электрон-дырка.
Цель работы - получение и исследование образцов диоксида титана, модифицированных кальцием цитратным способом , которые характеризуются высокой удельной поверхностью, мезопористой структурой и повышенной фотокаталитической активностью в реакциях деструкции красителей и фотовосстановления бихромат-аниона.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Для получения образцов диоксида титана, модифицированных кальцием, цитратным методом
были приготовлены исходные смеси: полимер тет-рабутокси титан (IV) (Aldrich) (3 г), лимонная кислота (0.06 г), глицерин (2 мл), а также добавки хлорида кальция - 0.05 г, 0,1, 0.2, 0.5 и 1 г соответственно полученные образцы, обозначены как 1Са/1Ю2, 2Са/1Ю2, 3Са/1Ю2, 4Са/1Ю2, 5Са/1Ю2. Для получения чистого диоксида титана брали такую же смесь, но без добавок соли хлорида кальция. Такой метод синтеза позволяет легко варьировать соотношениями компонентов в образцах.
Смеси прокаливали при 500 °C в течение 2 ч в присутствии кислорода воздуха в муфельной печи со скоростью нагрева - 2 К/мин. После охлаждения полученные порошки тщательно растирали до получения однородной массы.
Рентгенофазовый анализ выполняли на ди-фрактометре "ДР0Н-4-07" (Россия) при Cu^-излучении (с медным анодом и никелевым фильтром) в отраженном пучке и геометрии регистрации по Брегу-Брентано (2© = 10-70°). Средний размер кристаллитов определяли по уширению наиболее интенсивной полосы, используя уравнение Дебая-Шеррера : D = 0.9X/(B х cos©), где 0.9 - константа, X - длина волны, нм. Размеры кристаллитов определяли по наиболее интенсивным пикам, характерным для анатаза.
Величины удельной поверхности образцов 05уд), а также распределение пор определены с помощью прибора Quantachrom NovaWin2. Удельную поверхность образцов (^уд) определяли методом Брунауэра-Эммета-Теллера (БЭТ) по изотермам сорбции-десорбции азота . Радиус пор (R), а также объем пор (V) рассчитывали по де-сорбционным ветвям изотерм по методу Барре-та-Джойнера-Халенды .
ХАЛЯВКА и др.
Рис. 1. Дифрактограммы полученных образцов: 1 - ТЮ2, 2 - 3Са/ТЮ2, 3 - 5Са/ТЮ2. Остальные обозначения см. текст.
Рис. 2. Изотермы сорбции-десорбции азота, полученные при 20°С для образцов: 1 - 5Са/ТЮ2, 2 - 4Са/ТЮ2, 3 - 3Са/ТЮ2, 4 - ТЮ2.
Фотокаталитическую активность изучали на примере модельных реакций деструкции красителей сафранина Т и родамина, а также фотовосстановления бихромат-аниона в водных растворах при содержании фотокатализатора 2 г/л раствора. Облучение проводили ртутной лампой БУВ-30 с максимумом излучения при 254 нм при комнатной температуре в цилиндрическом кварцевом реакторе, снабженном механической мешалкой с электроприводом. Изменение концентрации красителя контролировали спектрофото-метрически (Lambda 35, PerkinElmer Instruments).
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Кристаллическая структура образцов исследована с помощью рентгенофазового анализа (рис. 1). На дифрактограммах всех образцов присутствуют интенсивные четко выраженные рефлексы, характерные для кристаллической решетки анатаза (А). Так, на дифрактограмме образца диоксида
Таблица 1. Характеристики образцов
Образец Буд, м2/г Кср, см3/г Гср, нм
TiO2 43.4 0.13 5.89
1Са/ТЮ2 46.7 0.13 5.4
2Са/ТЮ2 71.2 0.14 4.8
3Са/ТЮ2 75.3 0.15 4.1
4Са/ТЮ2 83.9 0.18 4.25
5Са/ТЮ2 76.2 0.19 5
Обозначения: Буд - удельная поверхность, Уср - средний объем пор, гср - средний радиус.
титана видно наличие интенсивных пиков 20 = = 25.5, 37.8, 54.0, 55.0, которые относят к фазе анатаза (рис. 1).
В работе утверждается, что в порошках диоксида титана, модифицированных различными ионами щелочно-земельных металлов, присутствует только фаза анатаза, что авторы объясняют низким содержанием модификаторов в своих образцах. В отличие от этой работы, в нашем случае (рис. 1) обнаружены также пики 20 = 27.4, 41.2, которые относятся к фазе рутила (Р).
Для модифицированных образцов наблюдаются пики при 20 = 31, которые характерны для брукита (Б). Их интенсивность возрастает с увеличением содержания кальция в порошках. Такие же пики обнаружены авторами для пленок ТЮ2, модифицированных ионами кальция.
Размеры кристаллитов в агломератах диоксида титана, рассчитанные с помощью уравнения Де-бая-Шеррера составляют 9 нм, в случае модифицированных образцов их величина увеличивается до 12.4 нм, что согласуется с литературными данными , так как наличие модификаторов ускоряет кристаллизацию диоксида титана и приводит к увеличению размеров кристаллитов.
Исследование полученных при 20° С изотерм сорбции-десорбции азота для синтезированных образцов показало наличие петли гистерезиса (рис. 2), что свидетельствует о мезопористой структуре порошков .
Величина удельной поверхности модифицированных образцов по сравнению с чистым диоксидом титана увеличивается в два раза (табл. 1). В ряду образцов от ТЮ2 до 5Са/ТЮ2 (табл. 1) значение среднего объема пор увеличивается от 0.13
ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ
до 0.19 см3/г, а средний радиус пор наоборот уменьшается от 5.89 до 5 нм. Область распределения пор по размерам представлена на рис. 3. Как видно, для образцов 4Са/ТЮ2 и 3Са/ТЮ2 наблюдается более узкое распределение пор, чем для чистого диоксида титана и образца с наибольшим количеством кальция - 5Са/ТЮ2.
Для определения оптимальных условий деструкции токсичных веществ в водных растворах важным является исследование кинетики их сорбции на фотокатализаторах. Установлено, что сорбционное равновесие в системе фотокатализатор - сафранин Т устанавливалась примерно за 1 ч, а для систем фотокатализатор - родамин и фотокатализатор - бихромат калия за 2 ч.
Проведенные исследования показали, что для всех исследованных адсорбтивов и адсорбентов кинетические кривые адсорбции имеют обычный плавный характер: плавный ход и небольшие значения адсорбции (табл. 2).
Во всех исследованных случаях фотокаталитическая реакция удовлетворительно описывается кинетическим уравнением первого порядка.
Для определения оптимального количества фотокатализатора в исследованных реакциях их концентрацию увеличивали при неизменной концентрации субстрата. Установлено, что при низкой концентрации фотокатализатора (<2 г/л) наблюдается рост констант скорости деструкции красителей и фотовосстановления бихромат-аниона с увеличением содержания фотокатализатора в растворе с последующим выходом на плато при концентрациях фотокатализатора вблизи 2 г/л. Все последующие фотокаталитические реакции проводили при концентрации фотокатализатора 2 г/л.
В ряду от 1Са/ТЮ2 до 4Са/ТЮ2 наблюдается повышение фотокаталитической активности в реакциях деструкции красителей (табл. 2). Так, константа скорости фотокаталитической деструкции сафранина Т увеличивается от 3.5 до 5.7 х 10-4 с-1, родамина - от 1.7 до 2.5 х 10-4 с-1. Подобные данные были получены авторами для образцов
Рис. 3. Распределение пор по размеру для синтезированных образцов: 1 - 4Са/ТЮ2, 2 - 3Са/ТЮ2, 3 - 5Са/ТЮ2, 4 - ТЮ2; г - радиус пор, Кобщ. - общий объем пор.
диоксида титана, допированных ионами кальция с помощью золь-гель-метода и титаната кальция в работе .
Кроме того, в ряду образцов от 1Са/ТЮ2 до 4Са/ТЮ2 увеличивается их сорбционная способность по отношению к красителям (табл. 2), что связано с их структурными характеристиками (табл. 1). Образец 5Са/ТЮ2 по сравнению с порошками 3Са/ТЮ2 и 4Са/ТЮ2 обладает существенно более низкой сорбционной и фотокаталитической активностью по отношению к красителям.
В случае фотовосстановления бихромат-аниона наиболее фотокаталитически активным оказался образец 5Са/ТЮ2 (кА = 3.9 х 104, с-1), что согласуется с работой , в которой установлено, что добавки титаната кальция к диоксиду титана
Таблица 2. Фотокаталитическая к х 104, с 1) и сорбционная (величина адсорбции А, мг/г) активность образцов диоксида титана, модифицированных кальцием по отношению к красителям и бихромат-аниону
Образец Сафранин Т Родамин Бихромат-анион
кй х 10-4, с"1 А х 10 4, мг/г кй х 10-4, с"1 А х 10 4, мг/г кй х 10-4, с"1 А х 10-6, мг/г
БЕЛИКОВ М.Л., ЛОКШИН Э.П., СЕДНЕВА Т.А. - 2012 г.
XАЛЯВКА Т.А., ВИКТОPОВА Т.И., КАПИНУC Е.И. - 2009 г.
КАПИНУС Е.И. - 2012 г.
УДК 544.527.23
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ КАЛЬЦИНИРОВАНИЯ НА СВОЙСТВА ДИОКСИДА ТИТАНА
Балабащук. И В.,
Кемеровский государственный университет
Диоксид титана находит широкое применение как сорбент и фотокатализатор. Эффективность его применения в том или ином качестве определяется составом диспергирующей среды, скоростью подачи прекурсора, рН синтеза, температурой и продолжительностью кальцинирования метатитановой кислоты.
Целью нашей работы являлось исследование влияния температуры кальцинирования на адсорбционные и фотокаталитические характеристики частиц диоксида титана.
 |
Диоксид титана получали путём термического гидролиза сульфата титанила с раствором гидроксида калия. Полученный в результате титанат калия промывали дистиллированной водой для удаления катионных и анионных примесей. После этого промытый титанат калия смешивали с раствором соляной кислоты и выдерживали в течение часа при температуре 90°С. Затем осадок нейтрализовали раствором гидроксида калия до рН 6, 5.4, 3.2 и подвергали прокаливанию при температуре 1100°С (R-1100), 900°С (R-900) и 600°С (R-600), соответственно. По результатам рентгеноструктурного анализа все образцы диоксида титана имеют рутильную модификацию. Для определения адсорбционных характеристик синтезированных частиц диоксида титана навеску фотокатализатора смешивали с раствором красителей анионного (конго красного) и катионного (сафранина-Т) типов и оставляли в темноте на 24 ч. Остаточную концентрацию красителей определяли спектрофотометрическим методом. Результаты исследования представлены на рисунке 1.
Рис. 1. Адсорбционные и фотокаталитические характеристики частиц диоксида титана в реакции выцветания красителей: а) конго красного,
б) сафранина-Т.
Можно отметить, что наилучшими показателями в реакции фотокаталитического разложения и адсорбции анионного красителя конго красного характеризуется образец R-600 (рис. 1а), синтезированный при рН 3,2 и температуре прокаливании 600°С. Увеличение значений рН и температуры кальцинирования приводит к снижению значений исследуемых характеристик. Для образцов R-900 и R-1100 эти величины уменьшаются в 3,5 и 20 раз, соответственно.
Адсорбция катионного красителя сафранин-Т протекает несколько иначе (рис. 1б). Наибольшее значение сорбционной емкости демонстрирует образец R-900. Кальцинирование образцов при температуре 1100°С приводит к 2-х кратному падению сорбционной способности. Снижение температуры кальцинирования ведет к практически полному исчезновению сорбционной способности частиц диоксида титана.
Таким образом, наилучшими фотокаталитическими и адсорбционными характеристиками обладают образцы диоксида титана, синтезированные при низких значениях рН и температуре кальцинирования 600-900°С. Влияние термической обработки и рН синтеза на адсорбционную способность диоксида титана может быть связано с формированием оксогидроксидных групп, способных к ионному обмену и удержанию молекул красителей на поверхности частиц TiO2.
Научный руководитель – д. х.н., профессор, «Кемеровский государственный университет»
В современно мире титановая индустрия развивается стремительно. Она является источником появления большого количества веществ, которые используются в разных сферах промышленности.
Характеристики диоксид титана
Диоксид титана обладает большим количеством названий. Он является амфотерным оксидом четырехвалентного титана. Он играет важную роль в развитии титановой индустрии. Только пять процентов титановой руды идет на производство оксида титана.
Есть большое количество модификаций диоксида титана. В природе встречаются кристаллы титана, которые обладают формой ромба или четырехугольника.
Диоксид титана формула представлена следующим образом: TiO2.
Диоксид титана нашел широкое распространение в различных отраслях промышленности. Он известен во всем мире в качестве такой пищевой добавки, как Е-171. Однако у данного компонента есть ряд негативных действий, что может свидетельствовать о том, что диоксид титана вред несет для организма человека. Известно, что этот компонент обладает отбеливающими качествами. Это может быть хорошо при производстве синтетических моющих средств. Вред для организма человека этой пищевой добавки представляет собой угрозу печени и почкам.
В пищевой промышленности есть вероятность появления вреда от диоксида титана. При избыточном его использовании продукция может приобрести нежелательный оттенок, что только оттолкнет потребителей.
Диоксид титана обладает достаточно низким уровнем токсичности.
Он может стать токсичным при взаимодействии с другими компонентами какой - либо продукции. Использование продукции с высоким содержанием токсинов может привести к отравлениям или даже к смертельному исходу. Поэтому очень важно знать, с какими элементами не стоит использовать оксид титана.
Свойства диоксида титана
У диоксида титана имеется большое количество характерных для него свойств. Они определяют возможность его использования в разных отраслях промышленности. Диоксид титана свойства имеет следующие:
- отличная степень отбеливания различных видов материалов,
- отлично взаимодействует с веществами, которые предназначены для образования пленки,
- устойчивость к высокому уровню влажности и к условиям окружающей среды,
- низкий уровень токсичности,
- высокий уровень стойкости с химической точки зрения.
Получение диоксид титана
Ежегодно в мире производится более пяти миллионов тонн диоксида титана. За последнее время его производство очень сильно увеличил Китай. Мировыми лидерами по получению этого вещества являются США, Финляндия, Германия. Именно эти государства имеют большие возможности для получения этого компонента. Они экспортируют его в разные страны мира.
Диоксид титана получение возможно двумя основными методами:
1. Изготовление диоксида титана из ильменитового концентрата.
На производственных предприятиях процесс получения оксида титана таким образом делится на три этапа. На первом из них осуществляется обработка ильменитовых концентратов при помощи серной кислоты. В итоге образуются два компонента сульфат железа и сульфат титана. Затем осуществляет повышения уровня окисления железа. В специальных фильтрах происходит разделение сульфатов и шламов. На втором этапе производится гидролиз сульфатный солей титана. Гидролиз осуществляется путем использования зародышей из растворов сульфатов. В результате образуются гидраты оксида титана. На третьем этапе производится их нагревание до определенной температуры.
2. Изготовление диоксида титана из тетрахлорида титана.
В данном виде получения вещества существует три метода, которые представлены:
- гидролизом водных растворов тетрахлорида титана,
- парофазным гидролизом тетрахлорида титана,
- термической обработкой тетрахлорида титана.
Таблица. Производители диоксид титана.
| Предприятие | Объемы производства, тыс. тонн |
|---|---|
| DuPont Titanium Technologies | 1150 |
| National Titanium Dioxide Co | н/д |
| Ltd. (Cristal) | 705 |
| Huntsman Pigments | 659 |
| Tronox, Inc. | 642 |
| Kronos Worldwide, Inc. | 532 |
| Sachtleben Chemie GmbH | 240 |
| Ishihara Sangyo Kaisha, Ltd | 230 |
В современном мире оксид титана активно применяется в различных отраслях промышленности.
Диоксид титана применение имеет следующее:
- Изготовление лакокрасочной продукции. В большинстве случаев на основе этого компонента производятся титановые белила.
- использование при производстве пластмассовых материалов.
- изготовление бумаги ламинированного типа,
- Изготовление косметических декоративных средств.
Оксид титана также нашел широкое применение в пищевой промышленности. Производители добавляют его в свои изделия в качестве одного из компонентов красителей пищевого типа. В продуктах питания он практически не ощущается. Производители добавляют его в минимальных количествах для того, чтобы их продукция лучше хранилась и имела привлекательный внешний вид.
