Сорбция аммиака пористым оксидом алюминия, модифицированным наночастицами некоторых переходных металлов Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 621.579.9

СОРБЦИЯ АММИАКА ПОРИСТЫМ ОКСИДОМ АЛЮМИНИЯ, МОДИФИЦИРОВАННЫМ НАНОЧАСТИЦАМИ НЕКОТОРЫХ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

В.П. Горшунова, Б.А. Спиридонов, В.И. Федянин

Изучены сорбционные свойства нанопористого оксида алюминия (ПОА), модифицированного медью, никелем, кобальтом и серебром. Установлено, что наиболее эффективным является сорбент (композит), включающий наночастицы меди (II). Показано, что обработка ПОА исследуемыми растворами солей переходных металлов в ультразвуке (УЗ) заметно повышает сорбционные свойства

Ключевые слова: нанопористый оксид алюминия, модификация, адсорбция, ультразвук

Известно, что аммиак широко применяется в различных отраслях промышленности, производстве азотной кислоты, минеральных удобрений, в качестве хладагента холодильных установок, которые являются неотъемлемой частью предприятий гражданского назначения, таких как молокозаводы, специализированные хладокомбинаты и т.п. [1]. Одним из основных недостатков аммиака является его высокая токсичность. Аммиак вызывает слезоточивость, удушье, головокружение, боли в желудке. Острое отравление аммиаком вызывает поражение глаз и дыхательных путей, одышку и воспаление легких [2]. При содержании аммиака в воздухе 350 - 700 мг/м3 возникает опасность для жизни человека.

В результате разрушения или повреждения емкостей, технических коммуникаций, средств транспортировки, ошибочных действий персонала в окружающее пространство может быть выброшено значительное количество аммиака, что может привести к заражению как территории предприятия, так и рядом находящихся жилых районов. Поэтому проблема контроля утечки аммиака из емкостей, аммиако-проводов и т.п., а также совершенствование способов обеззараживания окружающего пространства и территорий, где произошла авария, является весьма актуальной.

Одним из основных способов обеззараживания окружающего пространства (прежде всего в закрытых помещениях) является применение сорбентов, способных за сравнительно короткий промежуток времени поглотить его пары. В качестве традиционных сорбентов наиболее часто используют активированный уголь, силикагель, алюмогель, цеолиты.

В последние годы были разработаны сорбенты, представляющие собой композитные

Горшунова Валентина Павловна - ВГТУ, канд. хим. наук, доцент, тел. (4732) 52-19-39

Спиридонов Борис Анатольевич - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. (4732) 52-19-39

Федянин Виталий Иванович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (4732) 52-19-39

поглотители аммиака, которые нашли применение для задач сорбционного охлаждения [3].

Учитывая высокую адсорбционную способность этих композитов, можно предположить, что они могут быть использованы в качестве материалов для обеззараживания окружающей среды в случаях аварийных выбросов аммиака.

К настоящему времени наиболее изучены композиты на основе углеволокна бусофита, в котором микропоры на поверхности волокон вносили основной вклад в поглощение аммиака, а макропоры между волокнами способствовали улучшению процесса массообмена при диффузии его паров, а также обеспечивали возможность осуществления конвективного потока аммиака путем фильтрации паров между волокнами. Дополнительно активированные волокнистые сорбенты использовались и далее для нанесения на их поверхность (импрегниро-вания) хлоридов кальция, бария, марганца и никеля. Было установлено, что процессы физической и химической сорбции аммиака проходят совместно, что обеспечивает высокую адсорбционную способность композита. Расположение микрокристаллов солей металлов на поверхности активных угольных волокон бу-софита существенно увеличивает поверхность их взаимодействия с парами аммиака и ускоряет процесс сорбции, существенно повышает сорбционную емкость сорбента.

Основным недостатком композитов является невысокая механическая прочность, вследствие чего возникает необходимость их периодической замены.

Ранее проведенными исследованиями было установлено [4], что в качестве матрицы для сорбентов аммиака может быть использован пористый оксид алюминия (ПОА).

В настоящей работе продолжено изучение процесса адсорбции аммиака ПОА, а также композитами на его основе.

ПОА получали на А1 (А 99.94) толщиной 40 мкм в гальваностатическом режиме на установке, включающей выпрямитель постоян-

ного тока и электрохимическую ячейку. Анодирование алюминия осуществляли в 0,6 М растворе сульфасалициловой кислоты при анодной плотности тока 1а=12 мА/см2 и комнатной температуре. Гетероструктуры или композиты получали насыщением в течение часа ПОА 0,1 М растворами солей некоторых переходных металлов, являющихся хорошими ком-плесообразователями с аммиаком - сульфата кобальта, сульфата никеля, сульфата меди и нитрата серебра. С целью повышения эффективности насыщения использовали ультразвуковую установку, позволяющую варьировать как ее мощность (от 35 до 60,0 Вт), так и время (100-200 с). Поглотительные свойства композитов исследовали в атмосфере аммиака с объемной концентрацией 100 мг/м3 (5 ПДК). После насыщения ПОА растворами исследуемых солей были получены композиты А1203- №804, А1203- Си804, А1203- AgN03, которые затем помещали в эксикаторы с аммиаком с заданной объемной концентрацией. Методом гравиметрии определяли привесы образцов и таким образом судили о поглотительной способности сорбентов.

Рис. 1. Влияние ультразвука на насыщение ПОА сульфатом меди и адсорбцию аммиака:

1- без УЗ; с УЗ: 2- 35Вт, т = 100 с;

3- с УЗ, 60 Вт, т = 200 с; 4- с УЗ, 60 Вт, т =100 с На рис. 1 представлены кривые сорбции аммиака композитом А1203 - Си804, полученном при насыщении ПОА без ультразвука (УЗ) и с ультразвуком в различных режимах. Видно,

что наиболее оптимальными условиями насыщения сульфатом меди являются мощность -60 Вт и время - 100 сек. В этих условиях сорбционная способность композита А1203- Си804 примерно в 10 раз эффективнее (кривая 4), чем без ультразвука (кривая 1). Этот режим ультразвуковой обработки ПОА другими солями также оказался наиболее эффективным и был принят за оптимальный.

Рис. 2. Адсорбция аммиака композитами на основе ПОА:

1- АЬ03 - Со804;

2 - АЬ03^Ш3;

3 - А1203-№804;

4 - АЬ03-Си804

На рис. 2 представлены кривые адсорбции аммиака исследуемыми композитами. Из полученных данных видно, что наибольшей сорбционной способностью обладает композит А1203 - Си804,что согласуется с более высокими комплексообразующими свойствами меди по отношению к аммиаку. Так, для комплекса [Си^И3)б] рК = 8,9; [№(N^6] рК = 7,9; ^(N^2] рК = 7,2; [Со(ТЩ,)б] рК = 4,4 [5].

Из полученных данных можно заключить, что нанопоры пленок ПОА можно насыщать солями переходных металлов, создавая гетеростуктуры, способные поглощать аммиак. Полученные таким методом сорбенты можно рекомендовать для изготовления датчиков (сенсоров) аммиака, при этом целесообразно применять композиты А1203 - Си804, которые обладают заметно более высокой сорбционной способностью в сравнении с другими сорбентами, а значит, более высокой чувствительностью к аммиаку.

Литература

1. Степин Б. Д., Цветков А. А. Неорганическая химия. - М.: Высш. шк., 1994. 608 с.

2. Вредные вещества: Справочник / под ред. Н.В. Лазарева. - М.: Химия, 1971. 365 с.

3. Аристов Ю.И., Васильев Л.Л. Новые композитные сорбенты воды и аммиака для химических и адсорбционных тепловых насосов. Инженерно-физический журнал, 2006, Т. 79, № 6, с. 160-175.

4. Горшунова В.П., Спиридонов Б.А., Федянин В.И., Шмакова С.С. Высокие технологии в технике, медицине, экономике и образовании: Сб. науч. тр. - Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2008, с. 54-61.

5. Рабинович В.А. Краткий химический справочник / В.А. Рабинович, З.Я. Хавин. - С.-Пб.: Химия, 1997. 392 с.

Воронежский государственный технический университет

SORPTION OF AMMONIA BY POROUS OXIDE OF THE ALUMINIUM MODIFIED BY NANOPARTICLES TRANSITIVE METALS

V.P. Gorshunova, B.A. Spiridonov, V.I. Fedyanin

Sorptical properties nanoporious oxide of aluminium (POA), modificated by copper, nicel, cobalt and silver are investigated. It was established that the most effective is the rubbish-bent (composite) including nanoparticles of copper (II). It was showed that processing POA by investigated solutions of transive metals in ultrasound (US) considerably rases sorptical properties

Key words: nanoporious oxide of aluminium, modification, sorption, ultrasound