CC BY
12
УДК 66.023.2
Морозов А.Н., Васильев А.С.
МИКРОКАНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ НАНОТРУБОК TiO2 ДЛЯ ПРОЦЕССОВ ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКОЙ ДЕСТРУКЦИИ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
Морозов Александр Николаевич, к.х.н., старший преподаватель кафедры ТНВ и ЭП РХТУ им. Д.И. Менделеева, iMOPO3OB@gmail.com
Васильев Александр Сергеевич, студент 2 курса магистратуры кафедры ТНВ и ЭП РХТУ им. Д.И. Менделеева Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева», Россия, Москва 125047, г. Москва, Миусская площадь, д.9
Разработана микроканальная система на основе фотоактивного слоя из нанотрубок диоксида титана для фотокаталитических процесссов деструкции органических соединений в водной среде. С использованием методов фотолитографии и электрохимического анодирования получены микроканалы из нанотрубок диоксида титана различной геометрической формы. В реакции фотокаталитической деструкции фенола продемонстрировано, что разработанная микроканальная система обладает высокой фотокаталитической активностью. Ключевые слова: микрореактор, диоксид титана, анодирование, фотокатализ, фотолитография, фенол, деструкция
MICROCHANAL SYSTEMS BASED ON TiO2 NANOTUBES FOR PHOTOCATALYTIC DESTRUCTION OF ORGANIC SUBSTANCES
Morozov A.N., Vasilyev A.S.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Developed a microchannel system based photoactive layer of nanotubes of titanium dioxide photocatalytic processes for the destruction of organic compounds in an aqueous medium. Using the methods of photolithography and electrochemical anodizing, microchannels from titanium dioxide nanotubes of various geometric shapes are obtained. The photocatalytic decomposition reaction of phenol demonstrated that developed microchannel system has high photocatalytic activity. Key words: microreactor, titanium dioxide, anodizing, photocatalysis, photolithography, phenol, destruction
В настоящее время в мире наблюдается тенденция перехода к экологически чистым и энергоэффективным технологиям очистки воды и воздуха. Наибольший интерес вызывает фотокатализ, который является экологически чистым процессом, поскольку при его реализации достигается полная минерализация трудноокисляемых органических примесей без образования вторичных загрязнителей. В отличие от классических каталитических процессов в фотокатализе необходимо обеспечивать непрерывное облучение поверхности катализатора светом, что создает существенные сложности при создании фотокаталитических реакторов. К тому же, для достижения полной минерализации органических соединений геометрия реактора должна обеспечивать достаточно длительный контакт реагентов с фотокатализатором. Микроканальные системы позволяют существенно интенсифицировать такого рода процессы за счет организации более эффективного по сравнению с традиционными реакторами массопереноса в реакторе. В связи с этим в последнее время активно исследуются фотокаталитические системы такого рода [1].
В качестве материалов для создания фотокализаторов наибольшее распространение получил диоксид титана и композиты на его основе. Несомненными достоинствами TiO2 является относительно низкая стоимость, отсутствие токсичности, высокая фотокаталитическая
активность, а также химическая стойкость к воздействию различных сред, в том числе устойчивость к фотокоррозии. Известно, что используемое в фотокаталитических системах на основе TiO2 излучение с длиной волны 300-380 нм проникает в слой катализатора на глубину 20-25 мкм [2]. Таким образом, для эффективного использования всего объема фотокатализатора необходимо обеспечить доступ реагентов к его поверхности по всей толщине покрытия, что затруднительно при его формировании из наночастиц. Кроме того, адгезия слоя наночастиц из TiO2 к применяемым подложкам очень низкая, что существенно снижает операционную стабильность используемого фотоактивного покрытия. Наиболее целесообразным является формирование пористых покрытий из диоксида титана. Одним из таких материалов являются пленки из нанотрубок диоксида титана (НТ TiO2), получаемые анодированием металлического титана [3]. Повышенный интерес к данному материалу обусловлен структурой анодных пленок, которая представляет собой открытую пористую матрицу из НТ TiO2, геометрические размеры которых регулируются условиями их получения, что позволяет создавать материалы с заданными свойствам и функциями. В связи с этим, создание микроканальных систем на основе НТ TiO2, получаемых анодированием титана, представляется актуальной задачей.
Настоящая работа посвящена получению микроканальных система на основе НТ получаемых анодированием титана, для фотокаталитической деструкции органических соединений в водной среде.
Микрореактор с фотоактивным слоем из НТ ^Ог получали с использованием электролитического метода и фотолитографии. На титановую фольгу наносили пленочный фоторезист, затем фоторезист экспонировали через фотолитографическую маску, геометрия которой задавала форму и ширину микроканалов. После засветки фоторезист проявляли в водном растворе КОН. На участках, не защищенных фоторезистом, путем анодирования титана, по разработанной ранее методике [3], выращивали фотоактивную пленку из упорядоченного массива НТ ТЮг. Затем проводили удаление фоторезиста и процесс термической кристаллизации аморфных НТ ТЮз при 450°С в потоке воздуха.
Исследования морфологии фотоактивной пленки проводили на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) JSM-6510 LV («JEOL», Япония) в центре коллективного пользования имени Д.И. Менделеева. Процесс фотокаталитической деструкции фенола в водной среде проводили в режиме циркуляции 50 мл водного раствора фенола со скоростью 0.6 л/час при облучении смешанным светом интенсивностью 100 мВт/см2. Концентрацию фенола определяли с помощью газо-жидкостной хроматографии на хроматографе Trace 1310 («Thermo Scientific», Италия). Начальная концентрация фенола составляла 10 мг/л.
На рис. 1 представлено цифровое изображение разработанного микрореактора на основе фотоактивной пленки из НТ TiO2 и микрофотографии СЭМ участка поверхности и скола полученного фотоактивного покрытия электролитическим методом.
Рис. 1. Микрореактор на основе фотоактивной пленки из НТ TiO2 (а) и СЭМ-изображение фотоактивного слоя (б)
Конструкция микрореактора (рис. 1а) представляет собой слоистую структуру, в которой слой титановой фольги с фотоактивным слоем зафиксирован между фторопластовой пластиной и кварцевым стеклом, через которое происходит облучение поверхности фотокатализатора. Между титановой пластиной и кварцевым окном расположена силиконовая прокладка толщиной 0.1 мм. С помощью СЭМ (рис. 1б) было доказано, что разработанная технология с применением фотолитографии и электрохимического окисления титана позволяет получать фотоактивные покрытия из НТ ТЮг.
Определены основные технологические возможности созданного микрореактора. Показано, что разработанная микроканальная система обладает высокой фотокаталитической активностью. При циклировании водного раствора фенола со скоростью 0.6 л/час степень деструкции фенола составила 78% за 6 часов процесса. Определено влияние различной геометрии микроканалов на эффективность деструкции фенола в водной среде. Установлено, что в проточном режиме наиболее эффективным
считается применение микрореакторов с шириной каналов до 3 мм.
Настоящая работа выполнена за счет гранта Российского научного фонда (проект № 19-73-00192).
Список литературы
1. Gomes J., Lincho J., Domingues E. et. al. TiO2 nanotube arrays-based reactor for photocatalytic oxidation of parabens mixtures in ultrapure water: Effects of photocatalyst properties, operational parameters and light source // Science of the Total Environment. 2019. V.689. PP. 79 - 89.
2. Kozlov D.V. Photocatalytic Reactors for Air Purification // 8th European Congress on Catalysis "EuropaCat-VIII": int. conference. (Turku. Finland. 26-31 August. 2007). РР. 17-22.
3. Morozov A.N., Denisenko A.V., Mihaylichenko A.I., Chayka M.Yu. Influence of electrolyte composition on morphology of titanium dioxide films obtained by titanium anodization in a circulated mixing cell // Nanotechnologies in Russia. 2019. V.14. №9 - 10. РР. 444 - 450.
