Синтез и некоторые коллоидно-химические свойства гидрозолей, полученных из нитрата иттрия Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 541.18.046.7:661.866.1

Е.З. Экноян*, И.А. Белова, О.В. Жилина

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл., 9 * e-mail: [email protected]

СИНТЕЗ И НЕКОТОРЫЕ КОЛЛОИДНО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГИДРОЗОЛЕЙ, ПОЛУЧЕННЫХ ИЗ НИТРАТА ИТТРИЯ

В данном сообщении приводятся результаты разработки методики синтеза и определения некоторых коллоидно-химических свойств кислородсодержащих гидрозолей, полученных из нитрата иттрия. Изучено влияние рН дисперсионной среды на устойчивость синтезированных систем. Определены концентрация и состав дисперсной фазы золя.

Ключевые слова: иттрий, гидрозоль, синтез, коллоидно-химические свойства

В настоящее время материалы на основе соединений редкоземельных элементов находят применение в различных областях промышленности и техники. Одними из таких материалов являются кислородсодержащие соединения иттрия, используемые при получении высокоэффективных люминофоров, алюминатных и ферритовых гранатов, для создания оптически прозрачной керамики. Кислородсодержащие соединения иттрия, чаще всего, применяются как модифицирующие или стабилизирующие добавки, в частности, при стабилизации структуры циркониевой керамики.

Для достижения равномерного распределения в композициях таких добавок их целесообразно вводить в высокодисперсном виде, например, в виде золей.

Применение кислородсодержащих гидрозолей иттрия в качестве прекурсоров позволяет с использованием золь-гель технологии получать материалы с заданными и улучшенными свойствами. Данная технология требует получения агрегативно устойчивых золей достаточно высокой концентрацией дисперсной фазы. Для ее реализации необходимы знания об основных коллоидно-химических

характеристиках получаемых дисперсных систем, таких как дисперсный и фазовый состав, электрический заряд частиц, устойчивость системы к введению электролитов, реологические и других.

Для получения высокодисперсных частиц из кислородсодержащих соединений иттрия использовали метод, основанный на переводе в золь осадка, формирующегося при смешении растворов нитрата иттрия и аммиака. [1, 2].

Как известно [3], для получения золей с наименьшим размером частиц необходимо на стадии формирования осадка контролировать скорость образования частиц. Минимальный размер частиц будет в том случае, если скорость их

образования будет высокой по сравнению с ограниченной скоростью роста частиц. В этом случае большое значение при осаждении имеет скорость добавления реагентов. Следовательно, введение реагента непрерывным быстрым потоком приводит к образованию большого числа мелких частиц. На размер частиц также оказывают влияние условия перемешивания. Чем интенсивней перемешивание во время осаждения, тем более мелкие частицы образуются.

Кислородсодержащих гидрозоли иттрия получали смешением водных растворов аммиака (1,3 М) и нитрата иттрия У(ЫОз)з (1,0 М). При этом к раствору аммиака КЫ3Ы2О быстрым потоком при интенсивном перемешивании добавляли необходимое количество раствора нитрата иттрия У(Шз)з.

У(Шз)з + 3КЫз + ЗН2О ^ У(ОН)з| + ЗМЩЫОз

Полученный осадок промывали

дистиллированной водой для удаления растворенных и адсорбированных примесей. Промывные воды отделяли от осадка центрифугированием. Процесс проводили следующим образом. Отделяли надосадочную жидкость и осадок переносили в большие пробирки центрифуги. Далее осадок каждый раз заливали новой порцией дистиллированной воды объемом ~ 0,2 л и систему перемешивали стеклянной палочкой, добиваясь равномерного распределения частиц осадка по всему объему пробирки. Объем необходимой промывной воды уточняли измерением удельной

электропроводности промывных вод (см. рис. 1).

Как видно из приведенной зависимости удельная электропроводность выходит на постоянное значение и составляет ~ 0,1 мСмсм-1, что свидетельствует о практически полном удалении электролита.

Однако, увеличение объема промывных вод приводит к растворению осадка гидроксида иттрия и переходу ионов иттрия Уз+ в

надосадочную жидкость. При достижении оптимального значения удельной

электропроводности промывных вод значение концентрации ионов У3+ в них составляет почти 300 мг/л (рис. 2).

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Общий объем промывных вод, л

1,4

Рис.1. Зависимость удельной электропроводности промывных вод от их общего объема.

1600

Л 1400

к

| 1200-м

| 1000-

о &

£ 800

^ 600

с

§ 400

! 200-

0,2

0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 Общий объем промывных вод, л

Рис.2. Зависимость концентрации ионов У3+ в промывных водах от их общего объема.

Чтобы избежать значительных потерь основного компонента (иттрия) при промывке осадка, процесс проводили до суммарного объема промывной воды ~ 0,8 л. При таком объеме промывной воды ее удельная электропроводность составляла 0,11 мСмсм-1, а значение рН ~ 7,76. Далее отмытый осадок подвергали обработке ультразвуком в течение 1-2 мин на ультразвуковой установке УЗНД-А (рабочая частота 22 кГц) и переводили его в высокодисперсное состояние (золь).

Синтезированный гидрозоль не агрегировал в течение как минимум 6 месяцев и имел концентрацию дисперсной фазы 18 г/л (в пересчете на У2О3).

Рентгенофазовый анализ ксерогеля, полученного при высушивании синтезированного золя, показал, что частицы дисперсной фазы в нем являются слабозакристаллизованными и ксерогель представляет собой смесь кислородсодержащих соединений иттрия с преобладанием гидроксида иттрия.

Особенностью гидрозолей оксидов и гидроксидов является возможность перемены знака заряда частиц при изменении рН дисперсионной среды. От рН среды, во многом, зависит и агрегативная устойчивость этих систем. Обычно интервал рН, в котором гидрозоли оксидов и гидроксидов устойчивы к коагуляции, небольшой и составляет 1-3 единицы рН [4].

Учитывая это, вначале была поставлена задача исследования влияния рН дисперсионной среды на устойчивость гидрозоля гидроксида иттрия и определения области рН его агрегативной устойчивости. Для этого турбидиметрическим методом контролировали процессы изменения дисперсности золя.

Для понижения рН золя в него добавляли раствор азотной кислоты небольшой концентрации. Повышения значений рН достигали путем введения в золь определенного количества раствора аммиака. Исследовали разбавленный золь при постоянной концентрации У2О3.

Зависимость оптической плотности свежеприготовленного гидрозоля концентрацией 3,1 г/л (на У2О3) от рН дисперсионной среды представлена на рис. 3.

На представленной зависимости Б = /(рН) (рис. 3) можно выделить три характерных области. Вторая область рН дисперсионной среды от 6,8 до 8,2, в которой оптическая плотность золя практически не изменяется, соответствует области рН его агрегативной устойчивости. Это довольно узкий интервал значений рН среды. При уменьшении рН дисперсионной среды ниже 6,5 (на рис. 3 это первая область) оптическая плотность исследуемой системы понижается. В этой области рН среды происходит растворение кислородсодержащих частиц иттрия и при достижении рН менее 5,0 они полностью исчезают, переходя в солевую форму (нитрата иттрия). В третьей области зависимости Б = /(рН), начиная с рН 8,5 наблюдается увеличение оптической плотности золя, что свидетельствует о протекании агрегации частиц дисперсной фазы. Этот процесс становится наиболее ощутимым при рН > 9,5.

Рис.3 Зависимость оптической плотности гидрозоля от величины рН дисперсионной среды.

3

2

0

0

Агрегативная устойчивость является одной из важнейших коллоидно-химических характеристик дисперсных систем. Так применение синтезируемого золя, в первую очередь, определяется его устойчивостью к коагуляции. Его агрегативная устойчивость зависит от многих факторов: наличия и структуры

поверхностных слоев на частицах дисперсной фазы, ее концентрации, ионной силы и рЫ дисперсионной среды и т. д. Поэтому дальнейшие исследования будут направлены на изучение агрегативной устойчивости синтезированных золей.

Экноян Евгения Завеновна студент РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва.

Белова Ирина Александровна к.х.н., доцент кафедры коллоидной химии РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва.

Жилина Ольга Викторовна к.х.н., доцент кафедры коллоидной химии РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва.

Литература

1. Антонова А.А., Жилина О.В., Каграманов Г.Г., Киенская К.И., Назаров В.В., Петропавловский И.А.,

Фанасюткина И.Е. Синтез и некоторые свойства гидрозолей диоксида церия // Коллоид. журн. - 2001. - Т. 63. - № 6. - С. 728-734.

2. Дибцева Н.М., Киенская К.И., Назаров В.В. Синтез и некоторые свойства гидрозолей, полученных гидролизом нитрата лантана // Коллоид. журн. - 2001. - Т. 63. - № 2. - С. 27-34.

3. Фольмер М.Н. Кинетика образования новой фазы / М.Н. Фольмер; пер. с нем. К.М. Горбуновой, А. А. Чернова; под ред. К.М. Горбуновой, А. А. Чернова. - М.:Наука, - 1986. -208с.

4. Шабанова, Н.А. Химия и технология нанодисперсных оксидов: учебное пособие / Н.А. Шабанова, В.В.

Попов, П.Д. Саркисов. - М.: ИКЦ Академкнига, 2006. - 309с.

Eknoyan Evgeniya Zavenovna*, Belova Irina Alexandrovna, Zhilina Olga Victorovna D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: [email protected]

SYNTHESIS AND SOME COLLOID-CHEMICAL PROPERTIES OF HYDROSOLS OBTAINED FROM NITRATE YTTRIUM

Abstract

In this report the results of creation of the technique of synthesis and the determination of colloid-chemical properties of hydrosols obtained from nitrate yttrium are mentioned. The influence pH of the disperse medium on the stability of the synthesized systems are researched. Defined concentration and structure of a disperse phase of sol.

Keywords: yttrium; hydrosol; synthesis, colloid properties