Углеродные нанотрубки – новый сорбент ионов металлов Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

9

С 11 6 X U/ в химии и химической технологии. Том XXIV. 2010. № 8 (113)

тивным методом решения этой проблемы может быть активирование реакций функциализации ВЧ-излучением.

Авторы выражают признательность А.Н. Щеголжину (ИХФ им.

H.Н. Семёнова РАН) за неоценимую помощь при регистрации и ннтерпре-тсщии спектров.

Библиографические ссылки

I. Wei Xia. A highly efficient gas-phase route for the oxygen functionalization of carbon nanotubes based on nitric acid vapor. / Wei Xia, Chen Jin, Shankhamala Kundu, Martin Muhler. // Carbon, 2009. V. 47. P. 919-922.

2. Раков Э.Г. Непрерывный процесс получения углеродных нановолокон. /

3.Г. Раков, С.Н. Блинов, И.Г. Иванов, Н.Г. Дигуров, Е.В. Ракова. // Ж. прикл. Химии, 2004. Т. 77. № 2. С. 193-196.

удк 661.666+542.06

Шон Тынг Лыу, Ху Ван Нгуен, Э.Г. Раков

Российский химико-технологический университет им. д.и. Менделеева, Москва, Россия УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКН - НОВЫЙ СОРБЕНТ ИОНОВ МЕТАЛЛОВ

Проведён обзор публикаций по использованию углеродных нанотрубок в качестве сорбентов ионов металлов из водных растворов. Показано, что наибольшие перспективы имеют химически функциализованные нанотрубки. Выявлены области исследований, не затронутые в ранее опубликованных работах.

a review of publications on use of carbon nanotubes as solid extragents for sorption of metal ions from aqueous solutions. It was shown that the more profound prospect have chemically functionalized nanotubes. The fields of investigation which had not been used in the earlier works was formulated.

Углеродные нанотрубки (УНТ) и углеродные нановолокна (УНВ) являются многофункциональными материалами, которые могут находить применение в различных отраслях техники. Среди этих направлений - использование УНТ для концентрирования металлов из разбавленных водных растворов путём сорбции и микросорбции, причём цели этой операции могут быть различными: для повышения точности аналитического определения металлов, для удаления токсичных металлов из питьевой воды, поверхностных и глубинных вод, а также из производственных растворов, для дальнейшего получения чистых соединений металлов, для создания композитов УНТ с металлами и их соединениями.

Анализ опубликованной литературы показывает, что УНТ различной морфологии - однослойные и многослойные - испытаны для сорбции различных металлов в катионной и анионной форме (см., например, обзоры [1, 2]. Среди них металлы I группы (Cu2+, Аи3+), II группы (Sr , Zn2+, Cd2+, Hg2+), III группы (Ga3+), IV группы (Pb2+), V группы (V4+, V5+, H2As04" ), VI группы (Cr3+, Cr6+, Cr2072"), VII группы

9

С Яг в X № в химии и химической технологии. Том XXIV. 2010. №8(113)

(Мп2+, Мп04"), VIII группы (Ре3+,Со2+, №2+, Ю13+), лантаноиды (Ьа, Бш, Еи3+, Оё, Но, ТЬ, УЬ, Но), актиноиды (ТЪ4+, и6+, Ри4+, Ри6+, Аш3+). В качестве фоновых ионов рассматривали N03", 8042", Р043", НРОз2", К, СГ, СНзСОО", К+, Мё2+, Са2+,А13+ и др. Отметим, что в приведённом списке химическая форма некоторых ионов указана условно, поскольку, например, трудно представить, что в водном растворе существуют ионы У5+ или и6+. В большинстве опубликованных статей отмечается, что наибольшей сорбционной ёмкостью обладают функциализованные УНТ, в частности окисленные НМОз, №С10 или КМп04. Особое место занимает взаимодействие УНТ с соединениями Аи, и Рс1, которое часто ведёт к восстановлению и декорированию УНТ наночастицами этих металлов. Российские работы по сорбции металлов были сосредоточены на использовании «таунита» - материала, представляющего собой загрязненные сажей УНВ с примесью многослойных УНТ (см., например, [3]). Функциализации материала не проводилось. Единственное исследование сорбции и Сс12+ на функциализованных УНТ производства НТЦ ГраНаТ проведено с целью последующего синтеза наночастиц сульфидов и исследования их электролюминесцентных свойств [4].

В то же время многие металлы и ряд принципиальных вопросов оказались вне сферы внимания исследователей. Не исследована, в частности, сорбция Т1, Ъх и Н£, хотя эти металлы представляют интерес для создания керамических композитов УНТ-диоксид металла, нет данных по сорбции таких редких металлов, как №>, Та, Мо, \У, И.е. Не изучено влияние степени и характера функциализации УНТ на сорбционную ёмкость, хотя именно поверхностная концентрация и состав функциональных групп вместе с удельной поверхностью носителя (УНТ или УНВ) должны определять ёмкость. Описание в статьях условий функциализации не даёт возможности определить ни характер участвующих в ионном обмене групп, ни их концентрацию.

Целью экспериментальной работы является поиск ответов на принципиальные вопросы, связанные с особенностями сорбции металлов из растворов функциализованными нитевидными углеродными материалами. В качестве модельной системы исследовано взаимодействие функциализованных УНВ с водным раствором 2г0804. В работе использовали УНВ, полученные каталитическим пиролизом метана на катализаторе №/М^О. Функциализацию проводили в смеси концентрированных НМОз (67%) и Нг804 (98%), взятых в объемном отношении 1:5, с последующей многократной отмывкой и затем сушкой при 100 °С.

Основные эксперименты проведены с функциализованными УНВ, которые при «растворении» в воде давали устойчивые коллоидные дисперсии с концентрацией 2.26 г/л. некоторые результаты приведены на рисунке. Методика экспериментов состояла в контактировании точной навески УНВ с раствором 2г0Б04 определённой концентрации при перемешивании в течение 15 мин и последующем выдерживании системы в течение 6-10 ч. При этом было показано, что полное насыщение УНВ наступает уже через 1 ч. После отфильтровывания насыщенных УНВ оп-

9

С 11 6 X U/ в химии и химической технологии. Том XXIV. 2010. № 8 (113)

ределяли концентрацию циркония в растворе методом комплексономет-рического титрования.

Рис. 1. Изотерма сорбции Zr022 на функциализованных УНВ.

Показано, что при сорбции из раствора 2ЮБ04 с концентрацией 3.22 г Zr/я ёмкость по Ъх на использованных в работе УНВ достигает очень высоких значений и составляет 1.57 мг Ъх!тт УНВ. Для сравнения можно указать, что по данным [1] максимальная сорбционная ёмкость функциализованных многослойных УНТ по РЬ2+ составила 97 мг/г, т. е. ниже более чем на порядок.

В дальнейшем предполагается исследовать влияние на сорбци-онные характеристики степени функциализации УНВ и состава функциональных групп, а также кислотности исходного раствора.

Список литературы

1. Rao G.P. Sorption of divalent metal ions from aqueous solutions by carbon nanotubes: a review / G.P. Rao, C. Lu, F. Su. // Separat. Purific. Technique, 2007. V. 58. P. 224-231.

2. Ravelo-Pérez L.M. Carbon nanotubes: solid-phase extraction / L.M. Ravelo-Pérez, A.V. Herrera-Herrera, J. Hernández-Borges, M.A. Rodríguez-Delgado // J. Chromatogr., 2010. V. A 1217. P. 2618-2641.

3. Перевалов С.А. Сорбция и концентрирование плутония в различных состояниях окисления на наноуглеродном материале «Таунит» / С.А. Перевалов, С.Е. Винокуров, Н.П. Молочникова [и др.];// Радиохимия-2009. Тез. докл. 6 Росс. конф. по радиохимии (12 -16 окт.). М., 2009. С. 136.

4. Нгуен Мань Тыонг. Получение углеродных нанотрубок и композиционных плёнок на их основе: Дисс... .кандидата технических на-ук/РХТУ; М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2009.