Синтез и физико-химические свойства tio2-интеркалированной монтмориллонитовой глины Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

СИНТЕЗ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА TIO2-ИНТЕРКАЛИРОВАННОЙ МОНТМОРИЛЛОНИТОВОЙ ГЛИНЫ

Балабащук Иван Валерьевич

аспирант кафедры физической химии Кемеровского государственного

университета, г. Кемерово E-mail: ivgote@yandex. ru Харченко Елена Николаевна старший научный сотрудник, канд. хим. наук Кемеровского государственного

университета, г. Кемерово, E-mail: harchenkoen@gmail. com Просвиркина Елена Владимировна старший научный сотрудник, канд. хим. наук, доцент Кемеровского

государственного университета, г. Кемерово E-mail: sensitivlab@kemsu. ru

SYNTHESIS AND PHYSICO-CHEMICAL PROPERTIES OF TIO2-PILLARED MONTMORILLONITE

Balabashchuk Ivan Valerjevich

postgraduate, Kemerovo State University, Kemerovo

Harchenko Elena Nikolaevna

senior researcher, candidate of Chemical Sciences, Kemerovo State University,

Kemerovo

Prosvirkina Elena Vladimirovna

senior researcher, candidate of Chemical Sciences, Associate Professor, Kemerovo

State University, Kemerovo

АННОТАЦИЯ

Статья посвящена синтезу TiO2 интеркалированного монтмориллонита. Методами рентгеноструктурного и спектрофотометрического анализа показано влияния рH синтеза на адсорбционные и фотокаталитические свойств пилларовых глин.

ABSTRACT

Article is devoted to the synthesis of TiO2-intercalated montmorillonite. Methods of X-ray and spectrophotometric analysis show the influence of pH of synthesis on adsorption and photocatalytic properties of pillared clays.

Ключевые слова: диоксид титана, фотокатализ, монтмориллонит Keywords: Titanium oxide, photocatalysis, montmorillonite

Все большую популярность приобретают природные адсорбционные материалы с естественной способностью к разложению адсорбируемых веществ [2]. В тоже время широкое распространение получают фотокаталитические технологии нейтрализации загрязнителей. В связи с этим перспективным является использование слоистых алюмосиликатов типа монтмориллонита в качестве носителей фотокаталитически активных наночастиц диоксида титана. Использование субстратных микрочастиц с адсорбционными свойствами позволяет более эффективно использовать фотокатализатор за счет кумулирования органических и неорганических загрязнителей на поверхности субстрата. Такая система более безопасна, поскольку отсутствуют свободные наночастицы и полупродукты фотодеструкции загрязнителей — свободные радикалы — находятся в адсорбированном состоянии.

Как известно, монтмориллонитовая глина имеет структуру пакета, состоящего из чередующихся алюмо-и кремнийкислородных слоев [1]. Вследствие изоморфного замещения низковалентными катионами более высоковалентных: алюминий на магний, или кремний на железо, слои имеют отрицательный заряд. Дефицит заряда компенсируется присутствием ионообменых катионов, обычно №+ или Ca2+ в межпакетном пространстве. Идея модификации состоит в том, что в структуру глины вводятся гидратированные катионы титанила, которые после прокаливания образуют нанораспорки, разделяющие алюмосиликатные слои. В результате формируются трехмерные галереи, препятствующие коллапсу алюмосиликатных пакетов.

у;0:* пиллар пора

Рисунок 1. Схема синтеза Ті02 интеркалированной глины

Введение пилларов приводит к генерации огромной площади удельной

л

поверхности (до 400 м /г), а варьирование параметров синтеза позволяет калибровать диаметр пор под широкий круг органических и неорганических поллютантов. Целью данной работы был синтез и изучение влияния рH синтеза на адсорбционные и фотокаталитические свойств TiO2 интеркалированных глин.

Основная часть

На первом этапе эксперимента навеску глины кипятили с 30 % раствором карбоната натрия в течении 3 часов для удаления катионов Ca2+ из обменных позиций. Затем дисперсию монтмориллонитовой глины фильтровали и сушили при температуре 150 °С до постоянной массы. Прошедшую солевую подготовку глину обрабатывали 10% раствором сульфата титана при интенсивном перемешивании в течение 6 часов. После этого повышали температуру до 90 °С и медленно доводили рН дисперсии до значений 5, 7 и 11. Затем дисперсию глины фильтровали и прокаливали при температуре 600 °С в течение 30 минут.

Информацию о структурных характеристиках образцов TЮ2-ММТ получали методом рентгеноструктурного анализа на дифрактометре ДР-02 «РАДИАН» в медном фильтрованном излучении. Качественный и количественный анализ полученных рентгенограмм проводили в программе “PowdercelГ^

Фотокаталитическая активность образцов пилларовой глины была измерена с использованием спектрофотометрического метода на

спектрофотометре Shimadzu иУ-2550 в модельной реакции разложения красителя конго красного.

Для оценки адсорбционной ёмкости порошков фотокатализаторов использовали раствор метиленового оранжевого и конго красного с начальной оптической плотностью Ш. Навеска интеркалированной глины была постоянной и составляла 0,10 г, объем раствора красителя — 50 мл. Остаточную концентрацию красителя оценивали фотометрическим методом.

Таблица 1.

Характеристики образцов интеркалированного монтмориллонита

Образец рН ^)0Ъ А Набухание, % Адс. емкость, %

ММТ — 8,5 1200 3,5

ТЮ2-ММТ-1 5 9,1 30 26,3

ТЮ2-ММТ-2 7 9,3 30 22,6

ТЮ2-ММТ-3 11 10,8 35 34,7

Результаты рентгеноструктурного анализа свидетельствуют о том, что образец ММТ представляет собой натриевую форму монтмориллонита (ёош менее 12,4 А). Введение нанораспорок диоксида титана приводит к смещению первого базального рефлекса в малоугловую область. Образцы пилларовой глины, синтезированные в кислой и щелочной средах, характеризуется значениями d001 9,1 и 10,8 А, соответственно. Таким образом, наблюдается тенденция к увеличению межплоскостного расстояния с ростом рН синтеза.

Вследствие сшивания алюмосиликатных плоскостей образцы интеркалированной глины практически полностью теряют способность кумулировать молекулы воды в межпакетных пространствах. После введения распорок диоксида титана степень набухания снижается с 1200 % до 30 %. Интеркалированная глина практически полностью теряет способность к набуханию, вследствие сшивания алюмосиликатных плоскостей.

Результаты эксперимента по оценке адсорбционной емкости свидетельствуют о том, что введение распорок ТО2 приводит к значительному росту сорбирующей способности. Образцы пилларового монтмориллонита,

синтезированные в области кислых и нейтральных значений рН, показывают 5-кратное увеличение адсорбционной емкости. Наилучшими показателями обладает щелочной образец ТЮ2-ММТ-3. Его сорбционная емкость в 8 раз превышает сорбционную емкость образцов исходной монтмориллонитовой глины и глины прошедшей солевую подготовку.

Эксперимент по оценке фотокаталитической активности показал наличие фотокаталитического эффекта на всех образцах интеркалированного монтмориллонита. На рисунке 4 представлены кинетические кривые фотокаталитической деградации красителя конго красного для образца Т-ММТ-3. Можно видеть, что в присутствии ТЮ2- ММТ пилларового монтмориллонита удается добиться 90 % деструкции красителя за первые 30 минут инсоляции актиничным светом. Константа скорости, рассчитанная в полулогарифмических координатах 3,75-10-1мин-1, величина достоверности аппроксимации Я= 0,9983.

С, мг/л *п С/СО

0 < Ь 1 1 1

' -0,2 ■

■ -0,4 -

. -0,6 ■

1 -0,8 ■

1 -1 -

1,2 ■ • -1,4 ■ -1,6 ■ у = -0,375х-0,022 N1 Ка = 0,9983

1 1 II I

О 10 20 30 40 50 60 0 1 2 3 4

1, мин 1, мин

Рисунок 3. Кинетические кривые фотодеградации красителя Конго

красного на образце ТЮ2-ММТ-3

Заключение

Можно отметить, что варьирование значения величины рН перед стадией прокаливания оказывает значительное влияние на рентгеноструктурные

характеристики образцов ТЮ2-ММТ. Введение распорок TiO2 приводит к значительному росту сорбирующей способности.

Список литературы:

1. Козловский Е.А. Горная энциклопедия // Директ Медиа Паблишинг, 2006. — 508 с.

2. Malla P.B., Komarnen S. Properties and characterization of Al2O3 and TiO2 pillared saponite // Clays and clay minerals, 2008. — С. 472.