WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Ложкомоев Александр Сергеевич АДСОРБЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ НАНОСТРУКТУРНОГО ОКСОГИДРОКСИДА АЛЮМИНИЯ, ИММОБИЛИЗОВАННОГО НА АЦЕТИЛЦЕЛЛЮЛОЗНЫХ МИКРОВОЛОКНАХ 02.00.04 – физическая химия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Томск – 2009

Работа выполнена на кафедре общей и неорганической химии государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Томский политехнический университет» и в лаборатории физикохимии высокодисперсных материалов Института физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАН

Научный консультант: доктор химических наук, профессор Савельев Геннадий Гаврилович

Официальные оппоненты: доктор химических наук Коботаева Наталья Станиславовна кандидат химических наук Галанов Сергей Иванович

Ведущая организация: Институт твердого тела и механохимии СО РАН, г. Новосибирск

Защита состоится «21» декабря 2009 г. в 14 ч 00 мин в 212 ауд. на заседании диссертационного совета Д 212.267.06 в Томском государственном университете по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина 36, факс (3822)52-98-95

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Томского государственного университета.

Автореферат разослан « 20 » ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.267.06 кандидат химических наук, доцент Т.И. Изаак

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Разработка новых методов очистки воды, особенно от микробиологических загрязнений, становится все более актуальной проблемой в связи с возрастающим загрязнением природных вод. Одним из перспективных методов очистки воды является использование высокоэффективных адсорбентов с положительным зарядом поверхности. В последние годы были созданы сорбенты с использованием наночастиц с сильно развитой удельной поверхностью и высокими сорбционными свойствами. Одним из таких материалов является сорбент на основе наночастиц оксогидроксида алюминия, образующегося при окислении водой электровзрывных нанопорошков алюминия.

При иммобилизации наночастиц оксогидроксида алюминия на поверхности микроволокон получают сорбенты, сочетающие высокие сорбционные свойства и низкое гидродинамическое сопротивление потоку жидкости. Однако систематического изучения влияния иммобилизации на физико-химические свойства оксогидроксида алюминия до сих пор не проводилось. Описанная в литературе модель работы фильтра имеет качественный характер: основное положение этой модели состоит в предположении, что очистка воды от вирусов и бактерий происходит за счёт электростатического притяжения отрицательно заряженных примесных частиц к положительно заряженной поверхности адсорбента. В то же время отмечается отсутствие корреляции между величиной потенциала поверхности и адсорбционной способностью волокнистого фильтра, не определён баланс зарядов, не определены энергии различных типов взаимодействия адсорбат – адсорбент.

Цель и задачи работы. Целью работы является изучение структуры и сорбционных свойств наночастиц оксогидроксида алюминия, иммобилизованных на ацетилцеллюлозных микроволокнах, определение механизмов очистки ими воды от примесей различной природы (ионных, молекулярных, нано- и микрочастиц) и разработка фильтра для биологической очистки воды.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1) определить текстуру, фазовый состав, дзета-потенциал оксогидроксида алюминия и морфологию волокнистого сорбента на его основе;

2) изучить сорбционные свойства сорбента по отношению к различным адсорбатам – неорганическим ионам, крупным органическим молекулам, нано- и микрочастицам в статических и динамических условиях;

3) выявить закономерности адсорбции в зависимости от природы адсорбата и условий сорбции;

4) разработать фильтр для микробиологической очистки воды и определить его технологические характеристики.

Научная новизна.

1. Впервые показано, что продукт окисления и гидролиза электровзрывного нанопорошка Al/AlN представляет собой оксогидроксид алюминия сформированный в виде агломерированных листов толщиной менее 8 нм и размером до 200 нм. Последние стабилизируются при иммобилизации на ацетилцеллюлозном волокне.

2. Получены новые экспериментальные данные по изменению заряда поверхности нанолистового AlOOH при адсорбции вирусов MS2. Установлено, что переполюсовка происходит при концентрации, соответствующей проскоку при фильтровании, что свидетельствует о значительной роли зарядов в этом процессе.

3. Предложена модель работы волокнистого сорбента, учитывающая природу адсорбента и адсорбата, их заряды и относительные размеры, а также форму частиц и поверхностей. Впервые показана решающая роль электростатического притяжения в динамике адсорбции вирусов на поверхности нанолистового AlOOH.

Практическая ценность.

Разработан процесс нанесения на ацетилцеллюлозные микроволокна, наночастиц оксогидроксида алюминия. Определены количественные физикохимические (структура, морфология, фазовый состав, сорбционная способность) и механические характеристики (разрывная длина, производительность, фоновое вымывание частиц оксогидроксида алюминия) созданного волокнистого сорбента и разработаны рекомендации о наиболее эффективных областях его применения.

Разработаны фильтрующие устройства, позволяющие производить микробиологическую очистку воды с высокой эффективностью (99,999%) с производительностью 2 л/мин через 200 см2 фильтрующей поверхности при избыточном давлении 0,5 атм.

Положения, выносимые на защиту 1. AlOOH, полученный действием H2O на электровзрывной нанопорошок Al/AlN, состоит из нанолистов оксогидроксида алюминия. Иммобилизация AlOOH на поверхности ацетилцеллюлозы в момент его получения способствует сохранению нанолистовой структуры и не изменяет сорбционных свойств.

2. Волокнистый сорбент очищает воду от различных примесей по следующим механизмам: неорганические анионы и органические молекулы, имеющие отрицательный заряд в воде, задерживаются центрами основного типа AlOOH за счет кислотно-основного и донорно-акцепторного взаимодействия; катионы – AlOOH практически не адсорбирует, органические катионы могут адсорбироваться на поверхности полимера за счет ванндерваальсовых сил.

3. Адсорбция микро- и наночастиц (латексных наносфер, бактериофага MS2 и бактерий E.colli) происходит на внешней поверхности агломератов нанолистов первоначально за счет притяжения противоположных зарядов. Бактерии, имеющие размеры около 1 мкм, могут удерживаться волокнистым сорбентом механически.

4. Феноменологическая модель работы волокнистого сорбента, учитывающая природу адсорбента и адсорбата, их заряды и относительные размеры, а также форму частиц и поверхностей, в которой решающая роль отводится электростатическому притяжению в динамике адсорбции вирусов на поверхности нанолистового AlOOH.

Апробация работы. Основные результаты по теме диссертационной работы обсуждались на: II-ой Всероссийской конференции по наноматериалам НАНО-совместно с IV Международным семинаром «Наноструктурные материалы 2007:

Беларусь - Россия» ( г. Новосибирск, 13 - 16 марта 2007 г.), II-nd Russian – German Conference of the Koch-Metchnikov-Forum (Tomsk, 9-12 September, 2007), на IV-ой международной научной конференции «Химия, химическая технология и биотехнология на рубеже тысячелетий» (г. Томск: изд-во ТПУ, 2006), на Третьей Всероссийской конференции (с международным участием) "Химия поверхности и нанотехнология" (Псковская обл., г. Хилово., 24.09.2006 -01.10.2006 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 работ, в том числе 3 статьи в реферируемых журналах, получено 2 патента.

Объем работы. Работа изложена на 113 стр. машинописного текста, иллюстрируется 31 рисунком и 13 таблицами и состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы, включающего 142 наименования публикаций отечественных и зарубежных авторов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

Первая глава – литературный обзор, в котором дано краткое описание электрокинетических явлений и их роли в адсорбции, приведены примеры адсорбентов с положительным зарядом поверхности (дзета-потенциалом), сделан краткий обзор способов получения и свойств оксогидроксидов алюминия и условий формирования у них положительного дзета-потенциала. Проанализированы преимущества применения адсорбентов с положительным дзета-потенциалом для микробиологической очистки воды по сравнению с известными методами.

Во второй главе описаны способы получения объектов исследования и методики изучения их текстуры, морфологии и физико-химических свойств. Оксогидроксид алюминия синтезировали гидролизом и окислением в воде нанопорошка Al/AlN, полученного методом электрического взрыва Al-проводника в атмосфере азота.

Реакция шла следующим образом:

AlN+ 2H2O = AlOOH + NH3, 2Al + 4H2O = 2AlOOH + 3H2.

Состав Al/AlN, по данным рентгенофазового анализа, 40 об. % AlN и 60 об. % Al, имеет удельную поверхность 20 м2/г и средний размером частиц 60 – 80 нм. В качестве полимерной основы для иммобилизации оксогидроксида алюминия использовали нетканое полотно с поверхностной плотностью 30 г/м2 и толщиной 0,мм из ацетилцеллюлозных волокон со средним диаметром 1,5 мкм, полученное методом электроформования (фильтр Петрянова марки ФПА-15-2,0). Иммобилизацию проводили путем пропитки полимерной основы 1 мас. % - ной водной суспензией Al/AlN с последующим гидролизом и окислением адсорбировавшихся на о ацетилцеллюлозных волокнах частиц Al/AlN водой при 60 С. В результате был получен волокнистый сорбент, содержащий около 30 мас. % оксогидроксида алюминия.

Фазовый состав продуктов гидролиза и окисления Al/AlN изучали методом количественного рентгенофазового анализа на рентгеновском дифрактометре XRD6000 (Shimadzu) на CuK-излучении с использованием баз данных PCPDFWIN, а также программы профильного анализа POWDER CELL 2.4.

Величину удельной поверхности и средний размер пор оксогидроксида алюминия и волокнистого сорбента определяли методом тепловой десорбции азота на установке «Сорбтометр-М» с расчетом многоточечным методом БЭТ в автоматическом режиме.

Исследование размера и формы частиц, образующихся при окислении водой Al/AlN, проводили методом просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии с помощью электронного микроскопа JEM 100 CX II JEOL.

Дзета-потенциал частиц оксогидроксида алюминия в дистиллированной воде и растворах КСl, бактериофага MS2 и частиц оксогидроксида алюминия с различным количеством адсорбированного бактериофага в дистиллированной воде определяли по электрофоретической подвижности частиц методом динамического светорассеяния на приборе Zeta Sizer Nano ZS (Malvern).

Для изучения сорбционных свойств волокнистого сорбента были использованы адсорбаты с различными размерами и знаком заряда в воде, моделирующие загрязнения, встречающиеся в природной и водопроводной воде:

- катионы тяжелых металлов: Pb2+, Cd2+, Cu2+, Zn2+, Mn2+;

- неорганические анионы: H2AsO4- и NO3-;

- эозин – анионный краситель (С20Н6О5Br4K2), образующий при диссоциации анион (С20Н6О5Br4)2-;

- метиленовый голубой (МГ) – катионный краситель (С16Н18ClN3S);

- таниновая кислота (С76Н52О46) (tanniс acid, Alfa Aser);

- латексные сферы на основе полистирола диаметром 33 нм производства Duke Scientific Corporation, имеющие отрицательный заряд в воде и используемые в качестве имитаторов вирусов;

- кишечная палочка E.coli M-17-02 B-8208 - палочковидная бактерия длиной около 1,5 мкм и диаметром 0,5 мкм, имеющая отрицательный заряд в воде;

- бактериофаг MS2 штам PH-1505: представляет собой вирус бактерий E. coli, его размер около 30 нм.

Адсорбцию волокнистым сорбентом таниновой кислоты, эозина и метиленового голубого из их водных растворов изучали в статических условиях при времени контакта 4 суток и соотношении адсорбент / раствор 0,5 г / 80 мл, температуре 18 оС в диапазоне начальных концентраций 10–5 - 10–3 М. Равновесную концентрацию адсорбатов в растворе находили фотоколориметрически по предварительно построенным градуировочным графикам с помощью спектрофотометра Specol 1300 в максимумах поглощения адсорбатов (315 нм для таниновой кислоты, 490 нм для эозина, 597 нм для метиленового голубого).

Адсорбцию в динамических условиях исследовали при фильтровании модельных растворов через слой волокнистого сорбента толщиной 2 мм при скорости потока 0,15 см/с при начальных концентрациях Pb2+, Cd2+, Cu2+, Zn2+, Mn2+ 10-5 – 10-6 М, H2AsO4- и NO3- - 10-4 М, эозина и таниновой кислоты 10-4 – 10-5 М, латексных сфер – 1012 частиц/см3, бактерий E. coli 104 – 107 КОЕ/см3, вирусов бактериофага MS2 103 – 105 БОЕ/см3. (КОЕ, БОЕ – колоние- и бляшкообразующие единицы).

Концентрацию неорганических катионов и анионов в растворах определяли методом инверсионной вольтамперометрии с помощью СТА-анализатора, в ячейке с золотографитовым рабочим электродом и хлорсеребряным электродом сравнения, с использованием 0,1М раствора Трилона-Б в качестве фонового электролита.

Концентрацию латексных сфер определяли методом нефелометрии по калибровочному графику в координатах С (частиц/см3) – единицы мутности (ЕМ) с помощью нефелометра фирмы Hanna Instruments - HI 93703. Концентрацию бактерий E. coli и вирусов бактериофага MS2 в растворе определяли микробиологическим методом анализа путем посева проб растворов на питательные среды и подсчета колоний (бляшек), образовавшихся через 24 часа (1 КОЕ или БОЕ соответствует жизнеспособному микроорганизму).

Третья глава посвящена изучению морфологии, текстурных характеристик (удельной поверхности, пористой структуры) оксогидроксида алюминия, полученного при гидролизе и окислении водой электровзрывного нанопорошка алюмонитридной композиции в водной суспензии и на поверхности ацетилцеллюлозных микроволокон.

Pages:     || 2 | 3 |






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