WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На правах рукописи

Бакина Ольга Владимировна

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРЕВРАЩЕНИЯ НАНОПОРОШКОВ АЛЮМОНИТРИДНОЙ КОМПОЗИЦИИ В ВОДНЫХ СРЕДАХ

02.00.04 – физическая химия А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Томск – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН).

Научный консультант: кандидат химических наук Сваровская Наталья Валентиновна

Официальные оппоненты: доктор химических наук Еременко Николай Кондратьевич кандидат химических наук Галанов Андрей Иванович Ведущая организация Национальный исследовательский Томский Государственный Университет

Защита состоится “21” декабря 2012 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.088.03 при ФГБОУ ВПО «Кемеровский государственный университет» (650043, г. Кемерово, ул. Красная, 6)

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Кемеровский государственный университет» по адресу: 650043, г. Кемерово, ул.

Красная,

Автореферат разослан “____” _____________________ 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета А.Г. Кречетов доктор физико-математических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы В настоящее время для различных областей применения требуются новые сорбционные материалы с определенной структурой. Особенно важно наличие специфической формы нанообъектов (нановолокон, нанопроволок, нанотрубок, нанопластин), создающих жесткую пространственную структуру с открытой системой пор и большой величиной удельной поверхности.

В связи с этим, активно исследуются оксигидроксиды алюминия - пористые продукты взаимодействия с водой нанопорошков алюмонитридной композиции, полученных методом электрического взрыва алюминиевой проволоки в атмосфере азота.

Особенностями данного оксигидроксида алюминия являются характерная морфология частиц из агломерированных нанопластин, высокая пористость, удельная поверхность и положительный заряд. В настоящее время на основе частиц оксигидроксида алюминия созданы высокопроизводительные фильтры для очистки воды от микроорганизмов и разрабатываются антимикробные повязки нетоксического действия, являющиеся эффективной альтернативой антибиотикам и антисептикам при лечении поверхностных ран. Для целенаправленного регулирования процесса получения продуктов с заданными и постоянно воспроизводимыми характеристиками необходимо выявление закономерностей превращения нанопорошков алюмонитридной композиции в водных средах. Однако систематических исследований реакции взаимодействия нанопорошков алюмонитридной композиции с водой, в которых учитывались бы все факторы, влияющие на протекание процесса и последующее определение полного комплекса свойств полученных продуктов, до сих пор не проводилось.

Цель работы - выявление закономерностей превращения нанопорошков алюмонитридной композиции в водных средах для получения микробиологически активных адсорбентов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- изучить зависимость скорости превращения нанопорошков алюмонитридной композиции с водой от массовой доли нитрида алюминия в композиции и внешних условий (температуры, рН, агрегатного состояния воды, размера частиц, присутствия волокнистых и дисперсных материалов);

- исследовать влияние массовой доли нитрида алюминия в алюмонитридной композиции на морфологию, текстуру, -потенциал, фазовый состав и адсорбционные свойства (на примере эозина и бактерий Escherichia Coli) продуктов их реакции с водой;

- изучить зависимость физико–химических свойств (морфологию, текстуру, дзета–потенциал, фазовый состав и адсорбцию микроорганизмов) продуктов реакции нанопорошков алюмонитридной композиции с водой от условий ее проведения (температуры, рН, агрегатного состояния воды, ультразвуковой обработки, присутствия волокнистых и дисперсных материалов), старения и модифицирования частицами коллоидного серебра.

Научная новизна 1. Впервые показано, что нанопорошок алюмонитридной композиции взаимодействует с водой в три стадии: индукционный период, гидролиз нитрида алюминия на поверхности наночастиц и окисление алюминиевого ядра, длительность которых уменьшается при возрастании удельной поверхности прекурсора с увеличением в нем массовой доли нитрида алюминия.

2. Показано, что при взаимодействии с водой нанопорошка алюмонитридной композиции образуется преимущественно псевдобемит в виде агломерированных нанопластин, аналогично окислению водой нанопорошка алюминия, но обладающий большей удельной поверхностью и объемом пор.

3. Экспериментально определены зависимости скорости превращения нанопорошков алюмонитридной композиции, а также удельной поверхности, дзетапотенциала и сорбционных свойств образующихся продуктов от массовой доли нитрида алюминия, агломерированности прекурсора, температуры и рН реакционной среды.

Практическая ценность работы На основании полученных данных выбраны оптимальные условия синтеза продуктов реакции нанопорошков алюмонитридной композиции с водой с высокой адсорбционной способностью по отношению к микроорганизмам. Предложен способ модифицирования полученных адсорбентов частицами коллоидного серебра с целью предотвращения их биологического обрастания. Показано, что в процессе старения продуктов реакции нанопорошка алюмонитридной композиции в водной и воздушной среде в течение 6 месяцев происходит изменение фазового состава без изменения морфологии частиц, снижается величина удельной поверхности и дзета-потенциал.

Полученные в работе данные легли в основу производства наноструктурного оксигидроксида алюминия, фильтров микробиологической очистки воды и антисептического перевязочного материала.

Положения, выносимые на защиту 1. экспериментальная зависимость удельной поверхности нанопорошка алюмонитридной композиции от массовой доли нитрида алюминия.

2. закономерности превращения нанопорошков алюмонитридной композиции с водой (длительность индукционного периода, скорости изменения рН и газовыделения) в зависимости от внешних воздействий (температуры, рН, агрегатного состояния воды, степени агломерированности нанопорошков, присутствия волокнистых и дисперсных материалов) 3. закономерности превращения нанопорошков алюмонитридной композиции в зависимости от массовой доли нитрида алюминия.

4. комплекс физико-химических свойств (фазовый состав, дзета-потенциал, морфология, адсорбционные и текстурные характеристики) продуктов реакции нанопорошков алюмонитридной композиции с водой в зависимости от содержания нитрида алюминия и условий проведения реакции (температуры, рН, агрегатного состояния воды, диспергирования нанопорошков, присутствия волокнистых и дисперсных материалов).

Апробация работы Основные результаты диссертационной работы обсуждались на: Третьей Всероссийской конференции по наноматериалам НАНО 2009 (г. Екатеринбург, 20-апреля 2009г.); на Втором Всероссийском семинаре «Физико-химия поверхностей и наноразмерных систем» (ИФХЭ им. Фрумкина, г. Москва, 6-8 февраля 2010г.); Школеконференции молодых учёных «Неорганические соединения и функциональные материалы», посвящённой памяти профессора Ю. А. Дядина (ИНХ СО РАН, г.

Новосибирск, 16-18 июня, 2010г.); Международной научно-технической конференции «Нанотехнологии функциональных материалов» (СПГПУ, 22-24сентября, 2010г.); V Российско-германском семинаре «КарлсТом 2010 – Современные проблемы очистки воды. Наночастицы в водных объектах» (ТПУ, г. Томск, 20-22 сентября 2010 г.); V Международной конференции «HEMs-2010» (г. Бийск, 8-10 сентября 2010 г.); Научной конференции «Фундаментальные науки - медицине», Институт химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН (г. Новосибирск, 7-10 сентября 2010 г.); XXII симпозиуме «Современная химическая физика» (24 сентября-5 октября 2010 г. Туапсе); IX Всероссийской конференции «Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем» (22-ноября 2010 г. Ижевск); 1-й Международной Российско-Казахстанской конференции по химии и химической технологии (26-29 апреля 2011 г. Томск); II Международной научнопрактической конференции «Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования в физиологии и медицине» (28 октября 2011 г. Санкт-Петербург). Научной конференции «Фундаментальные науки – медицине» ФНМ 2012 (11-15 сентября 2012 г.

Новосибирск).

Публикации По теме диссертации опубликовано 24 печатных работы, в которых отражены основные положения диссертации, в том числе 10 статей в рецензируемых изданиях, рекомендованных списком ВАК. Получено 2 патента.

Работа выполнена в рамках Программы Президиума РАН, 27.17, ФНМ, «Разработка научных основ синтеза нового антисептического материала на основе электроположительных нановолокон и изучение его антимикробных свойств» 2009-2010;

Программы Президиума РАН 5. ФНМ-4, «Исследование механизмов антимикробного и ранозаживляющего действия нового антисептического материала на основе наноструктурного оксигидроксида алюминия» 2011 г; Программы V.37.3. « Научные основы разработки биокомпозитов и систем медицинского назначения на основе ультрадисперсных, наноразмерных и наноструктурных материалов» 2010-2012 гг;

Программы Президиума РАН 5. ФНМ-4. «Разработка научных основ синтеза антимикробного сорбента с дополнительными функциональными свойствами на основе трехкомпонентных наночастиц состава Al/AlN/Zn, Al/AlN/Fe, Al/ AlN/Cu», 2012 г; ГК № 14.527.12.0001 «Разработка технологии и создание производства нового класса антисептических материалов различного назначения на основе кристаллических сорбентов нитридов металлов», 2011-2013 гг.

Личный вклад автора. Получение и анализ экспериментальных данных выполнены лично автором. Обсуждение результатов, написание и оформление диссертации и публикаций проводились совместно с научным руководителем и соавторами.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы. Текст изложен на 138 страницах, иллюстрирован 24 таблицами и 61 рисунком. Библиография включает 145 источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, определена цель исследований, сформулирована научная новизна результатов, отражена их практическая значимость, приведены сведения об апробации работы.

В первой главе (литературный обзор) дано краткое описание особенностей реакции порошков алюминия и нитрида алюминия в водных средах. Описано влияние условий проведения реакции на кинетические параметры и свойства продуктов, современные подходы к описанию механизмов окисления дисперсного алюминия водой, проанализированы современные методы исследования закономерностей протекания реакции. Проведен критический анализ имеющихся литературных данных, обоснованы цель и задачи исследования.

Во второй главе описаны способы получения объектов исследования и методы изучения их текстуры, морфологии и физико-химических свойств. Нанопорошки алюминия (Al) и алюмонитридной композиции (Al/AlN) были получены методом электрического взрыва алюминиевой проволоки в атмосфере аргона и азота соответственно. Наноструктурный оксигидроксид алюминия синтезировали путем взаимодействия с водой и водяным паром нанопорошков Al/AlN и Al в интервале температур 25-80 °C при рН 6-11. Реакцию взаимодействия нанопорошков Al и Al/AlN с водой изучали по изменению рН и температуры реакционной смеси, газовыделению.

Превращение Al/AlN и Al в паровой фазе исследовали гравиметрическим методом при комнатной температуре. Количественное содержание нитрида алюминия в нанопорошках определяли косвенным спектрофотометрическим методом с использованием реактива Несслера (спектрофотометр Spekol 1300). Массовую долю активного алюминия определяли на газометрической установке по объему выделившегося водорода.

Исследование морфологии частиц алюмонитридной композиции, оксигидроксида алюминия и волокнистого сорбента на его основе проводили методом просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии (микроскопы JEM 100 CX II (JEOL), LEO EVO 50). Измерение размера агломератов нанопорошков проводили седиментационным методом на дисковой центрифуге CPS DC 24000 с регистрацией по динамическому светорассеянию. Фазовый состав исходных порошков и продуктов их реакции с водой изучали на рентгеновском дифрактометре XRD-6000 (Shimadzu) на CuK-излучении с использованием баз данных PCPDFWIN и Renex, а также программы профильного анализа POWDER CELL 2.4. Текстурные характеристики исходных порошков и продуктов их реакции с водой определяли методом тепловой десорбции азота с расчетом по методу БЭТ на анализаторе Сорбтометр М («Катакон»). Величину –потенциала определяли по электрофоретической подвижности частиц. Изучение терморазложения продуктов реакции проводили на приборе STA 449 F3 Jupiter ® методом дифференциальной сканирующей калориметрии при нагревании образцов до 1200 °C со скоростью 10 °C/мин. Адсорбционную способность продуктов реакции оценивали по адсорбции тестового анионного красителя эозина в статических условиях и микроорганизмов Escherichia Coli 1257 в статических и динамических условиях методом посева на питательные среды. Токсичность бактерицидного микроволокнистого адсорбента исследовали по методике биотестирования по отношению к гидробионтам – дафниям и зеленым протококковым водорослям.

Достоверность полученных результатов подтверждена большим объемом экспериментальных данных с использованием современных физико-химических методов исследования.

Третья глава посвящена изучению процесса превращения прекурсоров - нанопорошков Al/AlN в водных средах.

Рассмотрены морфология и гранулометрический состав частиц прекурсора (рисунок 1). Показано, что частицы Al/AlN имеют ограненную форму, средний размер частиц составляет 20–80 нм в отличие от частиц, полученных в аргоне, которые, как правило, имеют сферическую форму с размером 70–100 нм.

Нанопорошки Al/AlN представлены агломератами размером 1–5 мкм, в то время как агломераты нанопорошков Al в основной массе мельче и имеют размер 0,5-3,0 мкм.

Исследование химического состава нанопорошков Al/AlN показало, что массовая доля нитрида алюминия в композиции изменяется и Рисунок 1. ПЭМ-изображения зависит от условий получения порошка и может нанопорошков Al/AlN (a) и Al (б) достигать 84 %. Увеличение содержания нитрида алюминия в Al/AlN приводит к увеличению удельной поверхности исходного порошка (рисунок 2).

Выявлено, что реакция с водой нанопорошков Al/AlN протекает в три стадии, включающие индукционный период, гидролиз поверхностного слоя наночастиц из нитрида алюминия и Рисунок 2. Зависимость удельной поверхности Al/AlN от массовой последующее окисление металлического алюминия.

доли AlN (WAlN) в композиции При взаимодействии с водой нанопорошков Al/AlN кривые изменения рН реакционной смеси имеют типичную для топохимических процессов S-образную форму интегральных зависимостей (рисунок 3), а дифференциальные проходят через максимум.

а б Рисунок 3. Интегральные (а) и дифференциальные (б) кривые изменения рН при взаимодействии с водой нанопорошков Al/AlN (1) и Al (2) На кривых газовыделения Al/AlN наблюдался один максимум, обусловленный выделением газообразного водорода.

Исследование скорости газовыделения (рисунок 4) показало, что окисление металлического алюминия в нанопорошке Al/AlN по времени близко со вторым пиком на Рисунок 4. Дифференциальная кривая дифференциальной кривой изменения рН, что изменения рН (1) и кривая газовыделения (2) при взаимодействии подтверждает происхождение второго с водой нанопорошка Al/AlN максимума на дифференциальной кривой за счет окисления алюминиевого ядра наночастиц Al/AlN.

Увеличение массовой доли нитрида алюминия в нанопорошках Al/AlN способствует сокращению времени реакции и изменению ее закономерностей. При содержании нитрида алюминия 30-50 % масс. реакция протекает с выраженным индукционным периодом, далее гидролиз нитрида алюминия и окисление алюминия Рисунок 5. Дифференциальные идут одновременно. При 50-60 % масс. нитрида кривые изменения рН при алюминия реакция идет в три стадии, а при взаимодействии с водой нанопорошков Al - 1 и Al/AlN, с 60 % масс. и более нанопорошки реагируют с водой массовой долей нитрида без различимого индукционного периода в две алюминия:34 % - 2; 52 % -3; 67 % -4; 82 % - последовательные стадии: гидролиз нитрида алюминия и окисление алюминия. В то же время увеличение содержания нитрида алюминия в порошке приводит к уменьшению времени достижения максимального изменения рН как первой (в 6 раз), так и второй (в 1,5 раза) реакции (рисунки 6, 7).

Рисунок 6. Зависимость времени достижения Рисунок 7. Зависимость времени первого максимального значения рН от достижения второго максимального массовой доли нитрида алюминия в Al/AlN значения рН от массовой доли нитрида алюминия в Al/AlN Анализ кривых изменения рН в зависимости от температуры реакционной смеси показал (рисунок 8), что при 30–60 С реакции имеют выраженный индукционный период.

Рисунок 8. Интегральные (а) и дифференциальные (б) кривые изменения рН реакционной смеси Al/AlN с водой в изотермических условиях С увеличением температуры проведения реакции индукционный период сокращался, а при 70 °C и выше реакция идет без индукционного периода (рисунок 9). Начальные значения рН реакции возрастали с увеличением температуры.

Максимальное значение рН реакционной Рисунок 9. Зависимость смеси, равное 9,8, достигалось при 30 °C, время индукционного периода от температуры реакционной смеси реакции при этом составляло около 10 часов. С увеличением температуры реакционной смеси максимум изменения рН снижается, а время реакции сокращается. Так, при 80 °C рН достигает 8,7, а время реакции сокращается до 5 мин.

При изменении исходной рН реакционной смеси в пределах 4–6 видимых признаков реакции не наблюдалось даже в течение 90 мин. Дальнейшее повышение исходной рН от 7 до 9 приводило к росту скорости газовыделения с 2,3 до 2,8 млс/г и сокращению индукционного периода. При этом образцы при исходной рН реакционной смеси более 9 реагировали настолько быстро, что реакция протекала полностью менее чем за 5 минут.

Реакция Al/AlN с водяным паром характеризовалась наличием индукционного периода, в течение которого наблюдалось снижение концентрации нитрида алюминия в образце и постепенное увеличение удельной поверхности образца. Концентрация алюминия начинала снижаться через 4 суток экспозиции, после практически полного превращения нитрида алюминия и на 8 сутки достигала нуля (рисунок 10). Одновременно наблюдалось снижение удельной поверхности продуктов реакции с 23 м2/г (5 сутки) до 16 м2/г к 8 суткам, связанное, по-видимому, с фазовыми переходами и изменением структуры, происходящими в образце. Полное превращение Al/AlN проходило за 8 суток, в отличие от нанопорошка Al, заметное окисление которого начиналось через 30 суток и достигало степени превращения 0,9 после 100 суток выдерживания в парах воды при комнатной температуре, а через 160 суток остаточная концентрация алюминия в порошке снижалась до 0,43 % (рисунок 11).

Рисунок 10. Изменение степени Рисунок 11. Изменение степени превращения нитрида алюминия (1) и превращения алюминия при алюминия (2) и при взаимодействии с взаимодействии с парами воды парами воды нанопорошка Al/AlN нанопорошка Al Исходные частицы Al/AlN представлены агломератами размером, в основном, более 5 мкм. Уменьшение размера агломератов в процессе УЗ диспергирования спиртовой суспензии Al/AlN приводило к росту химической активности и изменению макрокинетических параметров реакции при добавлении воды. Уменьшение среднего размера агломератов при УЗ-обработке в течение 60 мин приводило к сокращению индукционного периода с 6,7 мин для исходного порошка до 0,2 мин для частиц со средним размером 0,5–1,2 мкм, при этом скорость реакции возрастала (рисунок 12).

а б Рисунок 12. Интегральные (а) и дифференциальные (б) кривые изменения рН: 1 – деагломерированный Al/AlN; 2 – исходный Al/AlN При проведении реакции Al/AlN с водой в присутствии дисперсных и волокнистых материалов минеральной и полимерной природы сохранялись все три характерные макрокинетические стадии, однако наблюдалось изменение параметров процесса. При проведении реакции в присутствии дисперсного оксида кремния наблюдалось ускорение реакции при уменьшении среднего размера частиц с 3,0 до 0,7 мкм (таблица 1).

Таблица 1. Параметры превращения Al/AlN в присутствие SiOSуд.SiO2, d SiO2, мкм tинд, с tmax1, c tmax2, c Sуд., м /г м /г 0,7 0 490±2 1337±2 2,0±0,1 122±1,5 426±6 553±2 1243±7 3,0±0,2 130±3,0 443±1 625±4 1220±7 15,0±0,2 128±При этом более чувствительной стадией по отношению к добавке оксида кремния оказалась стадия гидролиза нитрида алюминия. Введение волокнистых материалов в реакционную смесь также приводит к ускорению реакции, в основном, за счет сокращения индукционного периода, особенно при добавке стекловолокна (рисунок 13).

Сокращение индукционного периода и ускорение первой стадии при добавлении стекловолокна вызвано увеличением рН реакционной среды с 6,5 до 7,4, что обусловлено выщелачиванием компонентов стекловолокна в реакционную среду. При этом ускорение реакции и иммобилизация частиц оксигидроксида с образованием модифицированного микроволокон или микрочастиц наблюдается только в присутствии гидрофильных материалов.

Четвертая глава посвящена изучению физико-химических свойств продуктов реакции Al и Al/AlN с водой. Продуктом реакции взаимодействия всех исследованных порошков с водой является наноструктурный оксигидроксид алюминия.

Для понимания закономерностей образования Рисунок 13. Дифференциальные кривые изменение рН при реакции продуктов реакции исследовали изменение Al/AlN с водой в присутствии морфологии, удельной поверхности и фазового волокнистых материалов: 1 – без волокон; 2 – ацетат целлюлозы; 3 – состава продуктов реакции Al/AlN с водой в стекловолокно; 4 - базальтовое зависимости от глубины протекания реакции волокно (рисунок 14.). На основании полученных данных предложена следующая схема образования агломератов нанопластин. Реакция начинается по всей поверхности наночастицы. По мере того, как а б толщина слоя продуктов гидролиза достигает 5–10 нм, он отслаивается от частицы в виде нанопластины.

После этого реагирует освободившаяся поверхность частицы и образуется новая в г Рисунок 14. ПЭМ изображения продуктов нанопластина. Нанопластины взаимодействия с водой нанопорошка Al/AlN в частично соединены между собой и присутствии этанола образуют объемный агломерат вокруг реагирующей наночастицы. По мере углубления реакции размер исходной частицы уменьшается, а плотность агломерата возрастает за счет возникновения новых нанопластин, что затрудняет обнаружение остатков исходных частиц методом электронной микроскопии.

Данные электронной микроскопии подтверждают одинаковую морфологию продуктов реакции взаимодействия с водой нанопорошков Al и Al/AlN (рисунок 15 а и б), имеющих близкую к сферической кораллоподобную структуру агломератов размером около 500 нм, образованную нанолистами оксигидроксида алюминия.

Продукты окисления Al/AlN и Al в паровой фазе представляют собой агломераты пластинчатых частиц размером 200–500 нм (рисунок 15, в и г). Фазовый состав продуктов реакции с водой нанопорошков Al/AlN, как и нанопорошка Al, представлен, в основном, псевдобемитом с сильно уширенными дифракционными линиями (рисунок 16). С повышением температуры окристаллизованность продуктов реакции возрастает. В образцах, полученных при 30–50 С, присутствует также фаза байерита, содержание которой с повышением температуры и, соответственно, сокращением времени реакции, снижается практически до нуля при 60-70 С. При 80 С помимо псевдобемита обнаруживается около 1 %и непрореагировавшего Рисунок 15. СЭМ – изображения продуктов металлического алюминия.

окисления Al/AlN (а) и Al (б) водой, Al/AlN (в) и Изменение исходного рН Al (г) водяным паром реакционной смеси от 6,5 до 11,при этом не оказывало никакого влияния на физико-химические свойства продуктов реакции.

Установлено, что при взаимодействии нанопорошка Al/AlN с парами воды основными продуктами являются байерит и гидраргиллит. Степень превращения Al/AlN достигает 1, Рисунок 16. Дифрактограммы продуктов реакции тогда как в продуктах окисления Al Al/AlN с водой, полученных при различных температурах определяется 0,4 % непрореагировавшего алюминия даже после 160 суток экспозиции в парах воды. Полное превращение Al/AlN, в отличие от превращения нанопорошка Al, объясняется тем, что при реакции Al/AlN с паром (как и с водой) сначала идет гидролиз нитрида алюминия с выделением аммиака и созданием высокого уровня рН в реакционной среде, что способствует полному окислению металлического алюминия.

Если рассматеривать изотермы адсорбции-десорбции все образцы относятся к материалам с щелевидными мезопорами с характерными петлями гистерезиса в области капиллярной конденсации. Вне зависимости от состава нанопорошка Al/AlN средний размер пор продуктов взаимодействия с водой составляет 4…10 нм. Увеличение содержания нитридной фазы в образце приводит к увеличению удельной поверхности продуктов реакции от 255 м2/г для продуктов окисления металлического алюминия до 357 м2/г для алюмонитридной композиции.

Удельная поверхность продуктов реакции Al/AlN с водой, полученных в изотермических условиях, зависит от температуры проведения реакции (таблица 2) и достигает максимального значения 330 м2/г при 60-70 °C. С повышением температуры до 80 °C удельная поверхность оксигидроксида уменьшается, вероятнее всего, за счет снижения степени превращения частиц Al/AlN и повышения плотности агломератов.

Таблица 2 – Характеристика продуктов реакции Температура синтеза Sуд, Адсорбция эозина № –потенциал, мВ Тс, °C м2/г Аэозина, мг/г 1 30 280±3 3,76±0,02 38,2±0,2 40 270±2 3,19±0,04 38,4±0,3 50 280±2 3,67±0,02 41,2±0,4 60 330±3 4,38±0,07 45,0±0,5 70 291±2 4,37±0,09 46,1±0,6 80 274±2 4,33±0,07 41,2±0,При гидролизе исходного агломерированного порошка Al/AlN в присутствии микроволокон ацетата целлюлозы образуются частицы оксигидроксида алюминия размером 10–15 мкм, которые заполняют межволоконное поровое пространство полимерного материала. УЗ-обработка суспензии Al/AlN в течение 5 мин способствует уменьшению размера продуктов реакции до 1–5 мкм (рисунок 17). Диспергирование суспензии прекурсора в течение 30 мин приводит к образованию модифицирующего пористого покрытия на микроволокнах, средний размер частиц которого уменьшается до 0,2–1,0 мкм (рисунок 17 г), при 45 мин диспергирования – до 0,2–0,5 мкм (рисунок 17 д, е). Уменьшение размеров частиц модифицирующего покрытия при равномерном его распределении по поверхности полимерных волокон приводит к увеличению сорбционной емкости по эозину с 6 до 25 мг/г.

а б в г д е Рисунок 17. СЭМ–изображения исходных полимерных волокон (а) и модифицированных волокон без УЗ обработки суспензии (б); с обработкой ультразвуком: 5 мин (в); 30 мин (г); 45 мин (д; е) Эффективность сорбции бактерий E.coli образцами волокнистого сорбента, полученного без ультразвуковой обработки прекурсора, составляла 100 % при нагрузке на фильтр 107 КОЕ/см2. При дальнейшем пропускании модельной загрязненной воды наблюдались единичные проскоки микроорганизмов в фильтрат.

Образцы волокнистого сорбента со сплошным пористым покрытием полимерных волокон оксигидроксидом алюминия выдерживают нагрузку более 1010 КОЕ/см2 при 100 % эффективности сорбции микроорганизмов.

Таким образом, оптимальными условиями получения оксигидроксида алюминия являются проведение реакции в воде при 60 °C с использованием алюмонитридной композиции состава 84 % AlN. Полученный оксигидроксид алюминия имеет -потенциал 46мВ, сорбционную емкость по эозину 4,4мг/г, бактерий E.Coli 103 КОЕ/г Пятая глава посвящена получению электроположительных сорбентов на основе оксигидроксида алюминия с бактерицидными свойствами. Для предотвращения возможного биообрастания волокнистых сорбентов было предложено проводить модифицирование оксигидроксида алюминия частицами коллоидного серебра со средним размером 10 нм и -потенциалом -36 мВ. Адсорбция наночастиц серебра оксигидроксидом алюминия идет с высокой скоростью, более 80 % частиц адсорбируется в течение первых двух минут. При увеличении количества адсорбированных частиц коллоидного серебра от 0 до 20 мг/г -потенциал оксигидроксида алюминия снижался с 62 до 21 мВ, при этом полного экранирования заряда не происходило. Удельная поверхность сорбента незначительно снижалась от 344 до 320 м2/г.

По данным электронной микроскопии частицы серебра равномерно распределены по поверхности и в объёме пористого пространства агломератов нанопластин оксигидроксида алюминия (рисунок 18).

Рисунок 18 ПЭМ–изображение оксигидроксида алюминия с адсорбированными частицами коллоидного серебра Для оценки бактерицидных свойств материала, модифицированного частицами коллоидного серебра, исследовали динамическую адсорбцию модельного раствора бактерий E.coli. Эффективность улавливания микроорганизмов составила 100 %, а сорбционная емкость - 105 КОЕ/см2. Биологического обрастания материала не наблюдалось в течение 60 суток экспозиции в модельном растворе микроорганизмов.

Содержание серебра в фильтрате не превышало предельно допустимой концентрации для питьевой воды. Проведенные исследования токсичности показали, что полученный сорбционный материал не оказывают токсического действия на гидробионты – дафнии и люминесцентные бактерии. Образцы бактерицидного материала, модифицированные серебром, слабо токсичны по отношению к дафниям и люминесцентным бактериям, за счет олигодинамического действия серебра.

Таким образом, на основании проведенных исследований получен бактерицидный материал, состоящий из микроволокон ацетата целлюлозы с иммобилизованными частицами оксигидроксида алюминия и модифицированный коллоидным серебром.

Бактерицидный материал устойчив к биообрастанию и является слаботоксичным по отношению к гидробионтам.

ВЫВОДЫ 1. По изменению рН реакционной смеси изучены закономерности превращения нанопорошков алюмонитридной композиции в водных средах в зависимости от массовой доли нитрида алюминия в композиции. Превращения композиций, содержащих 50-60 % масс. нитрида алюминия протекают в три стадии: индукционный период, гидролиз нитрида алюминия на поверхности наночастиц и последующее окисление металлического алюминиевого ядра. При содержании нитрида алюминия 30-50% масс.

наблюдается выраженный индукционный период, далее гидролиз нитрида алюминия и окисление алюминия идут одновременно, а при 60 % масс. и более нанопорошки реагируют с водой без индукционного периода в две последовательные стадии (гидролиз нитрида алюминия и окисление алюминия). При увеличении массовой доли нитрида алюминия до 80 % в 6 раз уменьшается время превращения нитрида алюминия и в 1,5 раза –окисления алюминия.

2. Исследовано влияние внешних условий на закономерности превращения нанопорошков алюмонитридной композиции и физико-химические свойства продуктов. С увеличением температуры от 30 до 60 °С скорость превращения возрастает, индукционный период сокращается, а на кривой изменения рН наблюдаются два максимума. Выше 70 °С реакция идет без индукционного периода, при 80 °С гидролиз нитрида алюминия и металлического алюминиевого ядра протекают одновременно в одну стадию с максимальной скоростью. Изменение исходного рН реакционной среды с 6,5 до 11,0 и проведение реакции в присутствии гидрофильных дисперсных материалов приводит к увеличению скорости превращения прекурсора.

3. Исследованы текстурные характеристики, -потенциал и адсорбционные характеристики (на примере эозина, бактерий E.сoli) продуктов реакции алюмонитридной композиции с водой, и показано, что с увеличением массовой доли нитрида алюминия в исходной композиции от 30 до 80 % удельная поверхность продуктов увеличивается с 2до 357 м2/г. -потенциал возрастает с 36 до 48 мВ, а величина адсорбции эозина увеличивается с 3,96 до 4,68 мг/г.

4. При 30-40 °C в продуктах реакции определяется кристаллический байерит и псевдобемит, при 50-70 °C – только псевдобемит, при 80 °C – псевдобемит и непрореагировавший металлический алюминий. Удельная поверхность продуктов достигает максимума при 60 °C и составляет 330 м2/г. В паровой фазе реакция нанопорошка алюмонитридной композиции протекает в течение 9 суток, продуктами реакции являются кристаллические байерит и гидраргиллит в форме непористых пластинок размером 200 – 300 нм с удельной поверхностью 15 м2/г.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах 1. Лернер М.И., Сваровская Н.В., Псахье С.Г., Бакина О.В. Технология получения, характеристики и некоторые области применения электровзрывных нанопорошков металлов. // Российские нанотехнологии. 2009. Т. 4. № 9. С. 6-18.

2. Лернер М.И., Бакина О.В., Глазкова Е.А., Ложкомоев А.С., Сваровская Н.В., Псахье С.Г. Наноструктурированный фильтр для улавливания коллоидных частиц. // Нанотехника. 2009. №4(20). С. 53-56.

3. Сваровская Н.В., Бакина О.В., Глазкова Е.А., Лернер М.И., Псахье С.Г Образование нанолистов оксигидроксидов алюминия из электровзрывных порошков. // Журнал физической химии. 2010. Том 84, № 9, С.1-4.

4. Лернер М.И., Бакина О.В., Глазкова Е.А., Сваровская Н.В., Серова А.Н., Псахье С.Г.

Высокопроизводительный фильтр для очистки воды от коллоидных и микробиологических загрязнений. // Экология и промышленность России - сентябрь 2010.

С.4-7.

5. Глазкова Е.А., Бакина О.В., Домашенко В.В., Ложкомоев А.С., Сваровская Н.В., Лернер М.И.. Гидролиз нанопорошков алюмонитридной композиции // Нанотехника. 2010. №(24). С. 51-56.

6. Лернер М.И., Бакина О.В, Е.А. Глазкова, А.С. Ложкомоев, Н.В. Сваровская, С.Г.

Псахье. Адсорбция микроорганизмов и бактериального эндотоксина на модифицированных полимерных волокнах // Перспективные материалы. 2011, №3, с.5358.

7. Бакина О.В., Глазкова Е.А., Ложкомоев А.С., Сваровская Н.В., Лернер М.И.

Взаимодействие нанопорошка алюмонитридной композиции с водой в изотермических условиях // Нанотехника, 2011, №1 (25), с. 55-59.

8. Глазкова Е.А., Сваровская Н.В., Бакина О.В., Хоробрая Е.Г., Ложкомоев А.С., Лернер М.И. Реакция нанопорошков алюминия и алюмонитридной композиции с водой // Нанотехника, 2012, №2 (30), с. 32-9. Бакина О.В., Глазкова Е.А., Ложкомоев А.С., Сваровская Н.В., Серова А.Н., Лернер М.И. Модифицирование наноструктурного оксигидроксида алюминия частицами коллоидного серебра.// Перспективные материалы. №6, 2011, с. 47-52.

10. Ложкомоев А.С., Бакина О.В., Глазкова Е.А., Иванов А.Н., Сваровская Н.В., Серова А.Н., Лернер М.И. Влияние деагломерации Al-AlN на формирование модифицирующего пористого покрытия на полимерных волокнах // Химия в интересах устойчивого развития, 2012, №20, с. 345-350.

11. Серова А.Н., Пехенько В.Г, Тихонова И.Н., Глазкова Е.А., Бакина О.В., Лернер М.И., Псахье С.Г. Адсорбционная и поглотительная способность сорбционного материала, включающего наноструктурный оксигидроксид алюминия // Сибирский Медицинский Журнал, 2012, № 2, с. 127-131.

12. Лернер М.И., Сваровская Н.В., Глазкова Е.А., Ложкомоев А.С., Бакина О.В. О механизме образования нановолокон оксогидроксида алюминия из электровзнывного нанопорошка алюмонитридной композиции. Тезисы докладов Третьей Всероссийской конференции по наноматериалам НАНО2009. Екатеринбург, 20-24 апреля 2009 г. С. 644645.

13. Бакина О.В., Серова А.Н. Модифицирование наноструктурного оксигидроксида алюминия частицами коллоидного серебра. Тезисы докладов школы-конференции молодых ученых, посвященной памяти проф. Ю.А. Дядина «Неорганические соединения и функциональные материалы», ИНХ, г. Новосибирск. 16-18 июля 2010 г. С. 63.

14. Серова А.Н., Бакина О.В. Наноструктурный оксигидроксид алюминия для адсорбции микроорганизмов. Тезисы докладов школы-конференции молодых ученых, посвященной памяти проф. Ю.А. Дядина «Неорганические соединения и функциональные материалы», ИНХ, г. Новосибирск. 16-18 июля 2010 г. С. 135.

15. Бакина О.В., Глазкова Е.А., Сваровская Н.В., Лернер М.И. Синтез микробиологически активного наноструктурного оксигидроксида алюминия. Тезисы докладов V Международной конференции HEMs-2010 Высокоэнергетические материалы:

демилитаризация, антитерроризм и гражданское применение. Бийск. ФГУП ФНПЦ «Алтай», 8-10 сентября 2010. С. 113-114.

16. Лернер М.И., Сваровская Н.В., Пехенько В.Г., Глазкова Е.А., Давыдович В.И., Ложкомоев А.С., Домашенко В.В., Тихонова И.Н., Бакина О.В., Астафуров С.В., Крыжевич Д.С. Разработка научных основ синтеза нового антисептического материала на основе электроположительных нановолокон и изучение его антимикробных свойств.

Тезисы докладов Научной конференции «Фундаментальные науки - медицине», Институт химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН, г. Новосибирск, 7 - сентября 2010 г. С.54.

17. Бакина О.В., Сваровская Н.В., Глазкова Е.А., Ложкомоев А.С., Лернер М.И. Синтез нанолистов оксигидроксида алюминия в изотермических условиях. Труды международной научно-технической конференции НФМ’10. Нанотехнологии функциональных материалов. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та. 20-24 сентября 2010.С.317318.

18. Бакина О.В. Определение морфологии и текстуры наноструктурного оксигидроксида алюминия. Устный доклад на 2 Всероссийском семинаре «Физико-химия поверхности и наноразмерных систем». Москва, 3-5 февраля 2010 г.

19. Лернер М.И., Сваровская Н.В., Глазкова Е.А., Бакина О.В., Иванов А.Н., Ложкомоев А.С. Исследование процесса деагломерации нанопорошка Al/AlN. XXII Симпозиум «Современная химическая физика». 24 сентября-5 октября 2010 г. Г. Туапсе: аннот. докл.

С. 77.

20. Домашенко В.В., Лернер М.И., Псахье С.Г., Бакина О.В., Глазкова Е.А., Сваровская Н.В., Ложкомоев А.С. Синтез многокомпонентных наночастиц металлов методом электрического взрыва проводников. Тезисы докладов IX Всероссийской конференции Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем. Ижевск. 22-26 ноября, 2010. C.53.

21. Серова А.Н., Бакина О.В., Глазкова Е.А. Композиционный сорбционный материал для микробиологической очистки воды. Материалы Международного научно-практического семинара «Современные проблемы очистки воды. Наночастицы в водных объектах». V Российско-Германский семинар. Карлстом 2010. 20-22 сентября 2010 г. С. 51-55.

22. Ложкомоев А.С., Глазкова Е.А., Бакина О.В., Иванов А.Н., Сваровская Н.В., Лернер М.И. Особенности формирования модифицирующего наноструктурного пористого покрытия на полимерных волокнах // Материалы 1-й Международной РоссийскоКазахстанской конференции по химии и химической технологии. 26-29 апреля 2011 г., Томск. С. 107-109.

23. Лернер М.И., Поярков И.В., Бакина О.В., Глазкова Е.А., Псахье С.Г., Мерзликин Н.В.

Ранозаживляющие и антибактериальные свойства повязки VitaVallis // Сборник статей II Международной научно-практическая конференции «Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования в физиологии и медицине». 28-28 октября 2011 г. Санкт-Петербург, Россия. С. 117-120.

24. Лернер М.И., Бакина О.В., Глазкова Е.А., Домашенко В.В., Серова А.Н,, Тимофеев С.С. Антимикробный сорбент на основе трехкомпонентных наночастиц Al/AlN/Me.

Сборник тезисов научной конференции «Фундаментальные науки – медицине», 11-сентября 2012 г. Новосибирск, Россия, С. 34.

Патенты 1. Патент РФ №2426557. Сорбционно-бактерицидный материал, способ его получения, способ фильтрования жидких или газообразных сред, медицинский сорбент. Лернер М.И., Глазкова Е.А., Псахье С.Г., Кирилова Н.В., Сваровская Н.В., Бакина О.В.

Патентообладатель ИФПМ СО РАН, дата выдачи: 20.08.2011 Бюл.№ 2. ПатентРФ № 96571. Устройство для комплексной очистки питьевой воды. Лернер М.И., Сваровская Н.В., Псахье С.Г., Кирилова Н.В., Бакина О.В. Патентообладатель: ИФПМ СО РАН, Роснаука. опубликовано в БИ № 22, 10.08.20




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.