CC BY
32
Сведения об авторе
Виноградов Владимир Юрьевич,
студент 4 курса
Апатитский филиал Мурманского государственного технического университета, Россия, 184209, г. Апатиты, ул. Ферсмана, д. 50а, e-mail: [email protected]
Vinogradov Vladimir Yurievich,
4th Year Student
Apatity Branch of Murmansk State Technical University, Russia, Apatity, Fersman str., 50a, e-mail: [email protected]
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.1.PRIL.31 -34 УДК 661.183.12:546.82'185
П. Е. Евстропова
Апатитский филиал Мурманского государственного технического университета
СИНТЕЗ КОМПОЗИЦИОННОГО ГИДРОКСИДА ТИТАНА И ЕГО СОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПО ОТНОШЕНИЮ К КАТИОНАМ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ
Аннотация
В работе описан новый метод получения композиционного сферогранулированного гидратированного гидроксида титана, основанный на новом способе получения золя без применения металлоорганических соединений. Введение соединений циркония на стадии получения золя ведет к формированию Ti-Zr композиции, свойства которой значительно отличаются от свойств гидратированных оксидов титана и циркония. Изучены условия синтеза и найдены оптимальные параметры, позволяющие получать композиционный материал с высокими и воспроизводимыми сорбционными свойствами. Изучена сорбционная способность продукта по отношению к катионам свинца. Построены изотермы сорбции, позволяющие оценить максимальную сорбционную емкость по отношению к вышеназванному катиону свинца, рассмотрены кинетические особенности сорбции.
Ключевые слова:
композиционный гидратированный оксид титана, сорбционная емкость, кинетика сорбции, изотермы сорбции.
P. E. Evstropova
Apatity Branch of Murmansk State Technical University SYNTHESIS OF COMPOSITE TITANIUM HIDROXIDE
AND ITS SORPTION PROPERTIES WITH RESPECT TO HEAVY METAL CATIONS Abstract
The paper describes a new method for obtaining a composite overgranulated hydrated titanium hydroxide, based on a new method for producing a sol without organometallic compounds. Introduction zirconium compound at the stage of obtaining a sol leads to the formation of Ti-Zr composition the properties of which are significantly different from the properties of the hydrated oxides of titanium and zirconium. The synthesis conditions were studied and the optimal parameters were found that allow to obtain a composite material with high and reproducible sorption properties. The sorption capacity of the product in relation to the lead cation was investigated. Sorption isotherms were built, that allowed to estimate the maximum sorption capacity with respect to the above-mentioned lead cation, the kinetic features of sorption were considered.
Keywords:
titanium hydroxide composition, sorption affinity, sorption kinetic, sorption isotherms.
Интенсивные исследования по синтезу гидратированного диоксида титана (ГДТ) обусловлены его уникальными физическими и химическими свойствами, которые открывают широкие возможности его практического применения.
В последние годы открыты новые области использования ГДТ в качестве фотокатализаторов, сенсорных датчиков, фотохромных устройств, электродных материалов, элементов солнечных батарей, мембран [1-4]. Особое внимание уделяется ГДТ как сорбенту для очистки воздушных и водных сред [5]. Известны работы по очистке сточных вод от соединений мышьяка, хрома, тяжелых металлов, фтора, фенольных соединений и органических красителей [6-10]. Высокая устойчивость к действию повышенных температур и ионизирующего излучения, очень низкая растворимость как в кислых, так и в щелочных растворах открывают перспективы использования ГДТ для дезактивации и очистки сточных вод, а также для концентрирования микроколичеств токсичных элементов. Для практического применения ГДТ наиболее выгодным является формирование частиц в виде сфер, ядро которых по составу чаще всего близко к соответствующему оксиду. Развитая поверхность сфер содержит множество некомпенсированных связей, которые могут стабилизироваться в результате сорбции из раствора протонов Н+ или ОН-групп, а также других ионов и молекул воды. Связи сорбирующихся частиц с ядром оказываются сравнительно слабыми, и возможна диссоциация групп >Ме-О-Н по кислотному или основному механизму. Наиболее известный метод получения сферогранулированных малогидратированных оксидов металлов -- золь-гель метод.
Золь-гель процесс состоит из следующих основных стадий: получение водного золя гидроксида металла, гелирование капель золя в раствор осадителя, отмывки и сушки гель-сфер [7]. В золь-гель процессе стадии получения золя и геля разделены во времени, в результате гель-сферы образуются из сформированных первичных частиц, обладают механической прочностью и эластичным скелетом, позволяющим сохранить форму гранул при проведении операций промывки и сушки. Все это обеспечивает получение гидроксидов металлов в виде сферических, механически прочных гранул заданного размера с воспроизводимыми свойствами.
Для обеспечения формирования золей, а затем гелей необходимо замедлять процессы гидролиза. Для этого используют алкоксиды титана или электролиз солей титана. Несмотря на разнообразие золь-гель способов получения гидратированных оксидов металлов, они имеют существенные недостатки. При электролизе хлористых растворов титана (IV) золи являются неустойчивыми и уже при мольном отношении С1/Т = 2 из раствора выпадает гидролизная двуокись титана рутильной модификации [8]. Использование дорогих металлорганических соединений и сложное аппаратурное оформление является недостатком гидролиза алкоксидных соединений.
Целью данной работы являлся синтез композиционного ГДТ и изучение его сорбционных свойств по отношению к катионам свинца.
Разработан новый вариант золь-гель синтеза композиционного ГДТ, основанный на получении стабильного золя титана (IV) и циркония (IV) методом неполного гидролиза без использования металлоорганических соединений. Коллоидные частицы титана и циркония в исследуемых золях представляют собой многоядерные пространственные комплексы, связь в которых осуществляется посредством оловых или оксомостиков с образованием гетерополиядерных ассоциатов. Гелирование золя проводили без принудительного нагревания путем капельного диспергирования его в концентрированный раствор аммиака с образованием осадка в виде гель-сфер. Осадок отделяли от жидкой фазы, удаляли
из него маточный раствор вначале промывкой 5 % раствором NH4OH, а затем водой, после чего осадок сушили на воздухе с получением конечного продукта. Модифицирование ГДТ катионами переходных металлов, в частности цирконием, ведет к улучшению поверхностных сорбционных свойств сорбента.
Изучена сорбционная способность синтезированного материала по отношению к катиону свинца. Выбор катиона обусловлен широким его распространением в сточных водах различных производств. Исследования показали, что композиционный сорбент позволяет эффективно удалять катионы свинца в широком диапазоне изменения рН среды, что обусловлено увеличением кислотности сорбционных центров за счет Ti-O-Zr связей. Изотермы сорбции относятся к изотермам высокого сродства, максимальная степень сорбции (146 мг/г) достигается в течение 10 мин. Для оценки кинетических параметров ионообменных процессов Na-H+ использовали уравнение Бойда для внутридиффузионных процессов. Доказано, скорость диффузии контролируется внутридиффузионными процессами, коэффициент диффузии составляет 4,210-8 см2/сек. Проведенные исследования показали высокую селективность нового сорбционного материала и перспективность использования для очистки поликомпонентных сточных вод от соединений свинца в широком диапазоне изменения рН водной среды и концентрации металлов.
Благодарности
Автор благодарит своего научного руководителя Л. Г. Герасимову и д. т. н. М. В. Маслову за помощь в обработке и интерпретации данных, а также сотрудников аналитического отдела ИХТРЭМС за проведение анализов образцов.
Литература
1. Synthesis of Submicrometer-Sized Titania Spherical Particles with a Sol-Gel Method and their Application to Colloidal Photonic Crystals / E. Mine, M. Hirose, D. Nagao et al. // J. Coll. Interf. Sci. 2005. Vol. 291 (1). P. 162-168.
2. Moon J, Park J., Lee S., Zyung T., Kim I. Pd-Doped ТЮ2 Nanofiber Network for Gas Sensor Applications // Sensors and Actuators B: Chemical. 2010. Vol. 149 (1). P. 301-305.
3. Lee K. Т., Lytle J. C., Ergang N. S., Oh S. M., Stein A. Synthesis and Rate Performance of Monolithic Macroporous Carbon Electrodes for Lithium-Ion Secondary Batteries // Adv. Funct. Mater. 2005. Vol. 15 (4). P. 547-556.
4. Chung Y. W., Leu I. C., Lee J. H., Hon M. H. Fabrication and Characterization of Photonic Crystals from Colloidal Processes // J. Cryst. Growth. 2005. Vol. 275 (1-2). P. 2389-2394.
5. Печенюк С. И. Современное состояние исследований сорбции неорганических соединений из водных растворов оксигидроксидами // Успехи химии. 1992. Т. 61, № 4. С. 711-733.
6. Manna B. R., Dasgupta M., Ghosh U. C. Crystalline Hydrous Titanium (IV) Oxide (CHTO): an Arsenic (III) Scavenger from Natural Water // J. Water SRT. Aqua. 2004. Vol. 53 (7). P. 483-495.
7. Получение водных золей гидратированных окислов циркония, титана и олова электролизом их хлористых солей / Л. М. Шарыгин и др. // Колл. журн. 1981. №. 4. С. 812-816.
8. Шарыгин Л. М., Малых Т. Г., Логунцев Е. Н., Штин А. П. Исследование образования золя гидратированной двуокиси титана при электролизе раствора четыреххлористого титана // Журн. прикл. химии. 1980. № 6. С. 1277-1281.
Сведения об авторе
Евстропова Полина Евгеньевна,
студентка 4 курса
Апатитский филиал Мурманского государственного технического университета, Россия, 184209, г. Апатиты, ул. Ферсмана, д. 50а, e-mail: [email protected]
Evstropova Polina Evgenievna,
4th Year Student
Apatity Branch of Murmansk State Technical University, Russia, Apatity, Fersman str., 50a, e-mail: [email protected]
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.1 .PRIL.34-40 УДК 549.641.1:661.56:661.865
Н. В. Мудрук1, У. Ю. Кобылец2
1 Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. В. И. Тананаева ФИЦ «КНЦ РАН», Апатиты, Россия
2 Апатитский филиал Мурманского государственного технического университета
ПОЛУЧЕНИЕ КОНЦЕНТРАТА РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
ПРИ АЗОТНОКИСЛОТНОЙ ПЕРЕРАБОТКЕ ПЕРОВСКИТОВОГО КОНЦЕНТРАТА
Аннотация
Изучены составы растворов после проведения азотнокислотного вскрытия перовскитового концентрата, а также составы растворов дезактивированных путем осаждения железо-ториевого кека. Проведено экстракционное выделение РЗЭ из полученных растворов на фоне высокого содержания Ca. Получены осадки, содержащие РЗЭ, из растворов на ключевых стадиях технологии и проведено их исследование и сравнение.
Ключевые слова:
перовскит, концентрат, азотнокислотное вскрытие, железо-ториевый кек, экстракция, редкоземельные элементы.
N. V. Mudruk1, U. Yu. Kobylets2
11. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral
Raw Materials of the Federal Research Centre "KSC of the RAS", Apatity, Russia 2 Apatity Branch of Murmansk State Technical University
RECEIVING OF RARE-EARTH ELEMENTS CONCENTRATE DURING PEROVSKITE CONCENTRATE DECOMPOSITION BY NITRIC ACID
Abstract
The composition of the solution obtained by the decomposition of perovskite concentrate by nitric acid and composition of the solutions deactivated by precipitation of the iron-thorium cake has been studied. Extraction of REE from the solutions obtained has been carried out against the background of a high Ca content. The REE-precipitates have been obtained at some stages of technology and their investigation and comparison have been carried out.
Keywords:
perovskite, concentrate, nitric acid decomposition, iron-thorium cake, extraction, rare-earth elements.
