CZ305170B6 - Kompozitní materiál na bázi nanočástic nulamocného železa vázaných na povrchu matrice, způsob jeho přípravy a použití - Google Patents
Kompozitní materiál na bázi nanočástic nulamocného železa vázaných na povrchu matrice, způsob jeho přípravy a použití Download PDFInfo
- Publication number
- CZ305170B6 CZ305170B6 CZ2013-821A CZ2013821A CZ305170B6 CZ 305170 B6 CZ305170 B6 CZ 305170B6 CZ 2013821 A CZ2013821 A CZ 2013821A CZ 305170 B6 CZ305170 B6 CZ 305170B6
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- matrix
- iron
- composite material
- nanoparticles
- zero
- Prior art date
Links
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 160
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 title claims abstract description 87
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 75
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 title claims abstract description 48
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims description 19
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 18
- 230000008569 process Effects 0.000 title claims description 11
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 64
- -1 iron ions Chemical class 0.000 claims abstract description 40
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 39
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 31
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 20
- 239000011859 microparticle Substances 0.000 claims abstract description 17
- 229940031182 nanoparticles iron oxide Drugs 0.000 claims abstract description 17
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 claims abstract description 4
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 claims abstract description 4
- 125000003178 carboxy group Chemical group [H]OC(*)=O 0.000 claims abstract description 3
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 claims abstract description 3
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 54
- KRKNYBCHXYNGOX-UHFFFAOYSA-N citric acid Chemical compound OC(=O)CC(O)(C(O)=O)CC(O)=O KRKNYBCHXYNGOX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 51
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 31
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 26
- 230000001603 reducing effect Effects 0.000 claims description 20
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 16
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 claims description 15
- 239000000178 monomer Substances 0.000 claims description 15
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 13
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 12
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 12
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 12
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 claims description 12
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 11
- 238000010926 purge Methods 0.000 claims description 11
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims description 11
- CIWBSHSKHKDKBQ-JLAZNSOCSA-N Ascorbic acid Chemical compound OC[C@H](O)[C@H]1OC(=O)C(O)=C1O CIWBSHSKHKDKBQ-JLAZNSOCSA-N 0.000 claims description 8
- 229920001661 Chitosan Polymers 0.000 claims description 8
- 239000003673 groundwater Substances 0.000 claims description 8
- 238000000746 purification Methods 0.000 claims description 8
- 229920002873 Polyethylenimine Polymers 0.000 claims description 7
- 229920002134 Carboxymethyl cellulose Polymers 0.000 claims description 6
- 235000010948 carboxy methyl cellulose Nutrition 0.000 claims description 6
- 239000001768 carboxy methyl cellulose Substances 0.000 claims description 6
- 239000008112 carboxymethyl-cellulose Substances 0.000 claims description 6
- NPFOYSMITVOQOS-UHFFFAOYSA-K iron(III) citrate Chemical compound [Fe+3].[O-]C(=O)CC(O)(CC([O-])=O)C([O-])=O NPFOYSMITVOQOS-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims description 5
- 229920001213 Polysorbate 20 Polymers 0.000 claims description 4
- 229960005070 ascorbic acid Drugs 0.000 claims description 4
- 235000010323 ascorbic acid Nutrition 0.000 claims description 4
- 239000011668 ascorbic acid Substances 0.000 claims description 4
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims description 4
- 244000005700 microbiome Species 0.000 claims description 4
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 claims description 4
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 235000010486 polyoxyethylene sorbitan monolaurate Nutrition 0.000 claims description 4
- SMZOUWXMTYCWNB-UHFFFAOYSA-N 2-(2-methoxy-5-methylphenyl)ethanamine Chemical compound COC1=CC=C(C)C=C1CCN SMZOUWXMTYCWNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 2-Propenoic acid Natural products OC(=O)C=C NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910000608 Fe(NO3)3.9H2O Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 3
- 229960002413 ferric citrate Drugs 0.000 claims description 3
- 239000005416 organic matter Substances 0.000 claims description 3
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 claims description 3
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 claims description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 2
- 239000011640 ferrous citrate Substances 0.000 claims description 2
- 235000019850 ferrous citrate Nutrition 0.000 claims description 2
- 150000002484 inorganic compounds Chemical class 0.000 claims description 2
- 159000000014 iron salts Chemical class 0.000 claims description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 2
- 238000003746 solid phase reaction Methods 0.000 claims description 2
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 claims 1
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 claims 1
- JXLHNMVSKXFWAO-UHFFFAOYSA-N azane;7-fluoro-2,1,3-benzoxadiazole-4-sulfonic acid Chemical compound N.OS(=O)(=O)C1=CC=C(F)C2=NON=C12 JXLHNMVSKXFWAO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 150000002506 iron compounds Chemical class 0.000 claims 1
- 239000011368 organic material Substances 0.000 claims 1
- 244000052769 pathogen Species 0.000 claims 1
- 229920002223 polystyrene Polymers 0.000 claims 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000011734 sodium Substances 0.000 claims 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 41
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 3
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 abstract description 3
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 abstract description 3
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 abstract 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 27
- 239000000463 material Substances 0.000 description 23
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 16
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 16
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 16
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N Iron oxide Chemical compound [Fe]=O UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 11
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 9
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 235000013980 iron oxide Nutrition 0.000 description 7
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 7
- 239000004005 microsphere Substances 0.000 description 7
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 7
- 229920001467 poly(styrenesulfonates) Polymers 0.000 description 5
- 229940006186 sodium polystyrene sulfonate Drugs 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 4
- CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N Fe2+ Chemical compound [Fe+2] CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229920002125 Sokalan® Polymers 0.000 description 3
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 3
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 3
- 239000004584 polyacrylic acid Substances 0.000 description 3
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VTLYFUHAOXGGBS-UHFFFAOYSA-N Fe3+ Chemical compound [Fe+3] VTLYFUHAOXGGBS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004813 Moessbauer spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 2
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 2
- VBMVTYDPPZVILR-UHFFFAOYSA-N iron(2+);oxygen(2-) Chemical class [O-2].[Fe+2] VBMVTYDPPZVILR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 2
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 2
- 230000001717 pathogenic effect Effects 0.000 description 2
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 2
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 2
- 229910000033 sodium borohydride Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000012279 sodium borohydride Substances 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- OQUFOZNPBIIJTN-UHFFFAOYSA-N 2-hydroxypropane-1,2,3-tricarboxylic acid;sodium Chemical compound [Na].OC(=O)CC(O)(C(O)=O)CC(O)=O OQUFOZNPBIIJTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000738 capillary electrophoresis-mass spectrometry Methods 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 238000003889 chemical engineering Methods 0.000 description 1
- 238000005352 clarification Methods 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000005202 decontamination Methods 0.000 description 1
- 230000003588 decontaminative effect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001941 electron spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 1
- 239000000383 hazardous chemical Substances 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 231100001240 inorganic pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 150000002505 iron Chemical class 0.000 description 1
- 244000000010 microbial pathogen Species 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 1
- 239000012044 organic layer Substances 0.000 description 1
- 230000033116 oxidation-reduction process Effects 0.000 description 1
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 1
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 238000000634 powder X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 230000008707 rearrangement Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 1
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 230000001988 toxicity Effects 0.000 description 1
- 231100000419 toxicity Toxicity 0.000 description 1
- 238000004627 transmission electron microscopy Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Compounds Of Iron (AREA)
Abstract
Kompozitní materiál na bázi nanočástic nulamocného železa vázaných na povrchu matrice, u něhož je matrice tvořena mikročásticemi a/nebo makročásticemi nulamocného železa, které jsou stabilizovány vrstvou jedné organické látky nebo směsí organických látek obsahujících jednu nebo více funkčních skupin schopných vytvářet komplexy s ionty železa, na jejímž povrchu jsou kovalentně uchyceny nanočástice nulamocného železa o velikosti 0,5 až 500 nm, kde stabilizační vrstva matrice je tvořena ve vodě rozpustnými monomerními nebo polymerními organickými látkami, přičemž poměr hmotnosti organických látek k matrici je dán rozmezím 1:1 až 1:100, v optimálním případně 1:10, a organické látky jsou vybrány ze skupiny látek obsahujících funkční skupiny -COOH, -NH.sub.2.n., -OH, -HSO.sub.3.n., nebo jejich solí. Způsob přípravy kompozitního materiálu je realizován tak, že povrch matrice tvořené mikročásticemi a/nebo makročásticemi nulamocného železa se stabilizuje ve vodě rozpustnou monomerní nebo polymerní organickou látkou nebo jejich směsí za vyvázání iontů železa, Fe.sup.2+.n. a/nebo Fe.sup.3+.n., které jsou poté transformovány na nanočástice oxidů železa kovalentně vázané a plošně homogenně distribuované na povrchu matrice, které jsou následně redukovány termicky-indukovanými reakcemi v pevné fázi při teplotě nižší než je rozkladná teplota stabilizační organické látky za vzniku kompozitů tvořeného nanočásticemi nulamocného železa vázanými na povrchu matrice tvořené nulamocným železem.
Description
Oblast techniky
Vynález spadá do oblasti chemického inženýrství a týká se kompozitního materiálu na bázi nanočástic nulamocného železa vázaných na povrchu matrice, která je tvořena mikročásticemi a/nebo makročásticemi nulamocného železa, způsobu jeho přípravy a použití, zejména pro čištění podzemních vod.
Dosavadní stav techniky
Příprava kompozitních materiálů, nulamocného neboli kovového, resp. elementárního, železa s definovanou stavbou na úrovních makročástic a/nebo mikročástic v kombinaci s povrchově vázanými nanočásticemi je spojena s využitím obdobných materiálů pro odbourávání organických a anorganických polutantů, popř. eliminaci závadných mikroorganismů. Již dříve bylo ukázáno, že nulamocné železo je schopno chemicky degradovat mnoho nebezpečných látek a že rychlost a efektivita procesů s tím souvisejících jsou silně závislé na velikosti částic nulamocného železa, resp. na velikosti jejich povrchu. Zatímco makročástice, reprezentované zejména pilinami, granulemi, a jim podobnými materiály, a mikročástice železa vykazují relativně nízkou reaktivitu, nanočástice železa jsou vysoce reaktivní díky svému velkému povrchu a byly navrženy jako vhodný prostředek pro čištění kontaminovaných vod. {Chuan-Bao Wang et al., Environmental Science & Technology, 1997, vol. 31, no. 7, 2154-2156; patent US 5 857 810).
K přípravě nanočástic železa se využívá celé řady způsobů, např. sonochemických, fotochemických, srážecích, hydrotermických a termických metod. Mezi nejčastější způsoby přípravy patří redukce vodného roztoku železité soli borohydridem sodným. Takto lze získat částice nulamocného železa o velikostech 1 až 200 nm. Nevýhodou této přípravy je však vysoká pořizovací cena borohydridu sodného, jeho nestabilita při výrobě, transportu i uchovávání, toxicita a také nekontrolovatelný vývoj vodíku.
Jiným způsobem přípravy nanočástic železa je redukce práškových oxidů železa volně proudícími redukčními plyny, zpravidla vodíku při teplotách nad 1000 °C {patent CS 273 319, Schrey G., Danninger H, Jangg G.: Způsob výroby železných prášků z jemného volně sypaného práškového oxidu železitého). Vlastnosti nanočástic připravených touto technologií jsou dány zrnitostí vstupního materiálu, teplotou a dobou redukce. Použití vysokých teplot redukce však neumožňuje získat materiály s velikostí částic menších, než jsou desítky nanometrů. Navíc nanočástice nulamocného železa v práškové formě mají obrovskou schopnost se rychle samovolně oxidovat. Tomu se zabraňuje jejich pasivací, tj. vytvořením ochranné slupky na jejich povrchu.
Žádný z výše uvedených způsobů nekombinuje vlastnosti mikročástic popř. makročástic nulamocného železa s nanočásticemi železa za využití jak dlouhodobých redukčních vlastností větších částic, tak vysoké reaktivity nanočástic. Kompozitní materiály nulamocného železa kombinující různé velikostní frakce této látky tak mohou být vysoce reaktivní v odbourávacích procesech při čištění a dekontaminaci vod díky přítomnosti nanočástic nulamocného železa, stejně jako budou vykazovat dlouhodobé redukční vlastnosti díky přítomnosti matrice tvořené mikročásticemi a/nebo makročásticemi nulamocného železa, které prodlouží dobu působení materiálu v aplikacích. Navíc pevná vazba nanočástic na povrchu matrice neumožňuje jejich samovolné a nekontrolované uvolňování do prostředí, tzn. vyplavení, a jejich případnou rychlou migraci.
Vynález si klade za úkol navrhnout kompozitní materiál tvořený nanočásticemi nulamocného železa vázanými na povrchu matrice, která má redukční vlastnosti a která je tvořena mikročásticemi a/nebo makročásticemi nulamocného železa, a dále vlastní způsob jeho přípravy, který
-1 CZ 305170 B6 umožňuje řídit parametry kompozitu, jako jsou velikost a množství nanočástic na povrchu matrice, a použití kompozitního materiálu pro účely čištění podzemních vod.
Podstata vynálezu
Stanoveného cíle je dosaženo vynálezem, kterým je kompozitní materiál na bázi nanočástic nulamocného železa vázaných na povrchu matrice, jehož podstata spočívá v tom, že matrice je tvořena mikročásticemi a/nebo makročásticemi nulamocného železa, které jsou stabilizovány vrstvou jedné organické látky nebo směsí organických látek obsahujících jednu nebo více funkčních skupin schopných vytvářet komplexy s ionty železa, na jejímž povrchu jsou kovalentně uchyceny nanočástice nulamocného železa o velikosti 0,5 až 500 nm, kde stabilizační vrstva matrice tvořena ve vodě rozpustnými monomemími nebo polymemími organickými látkami, přičemž poměr hmotnosti organických látek k matrici je dán rozmezím 1 : 1 až 1 : 100, v optimálním případě 1 : 10, přičemž organické látky jsou vybrány ze skupiny látek obsahujících funkční skupiny -COOH, -NH2, -OH, -HSO3, nebo jejich solí.
V optimálním případě jsou organické látky vybrány přednostně ze skupiny chitosan, karboxymethylchitosan, karboxymethylcelulóza, kyselina akrylová, polyethylenimin, kyselina citrónová. Polyoxyethylen (20) sorbitan monolaurat, polystyrensulfonát sodný, kyselina askorbová, přičemž ionty železa mají původ ve vodě rozpustných anorganických či organických sloučeninách železa, které jsou vybrány ze skupiny dvoumocných a trojmocných solí železa, přednostně ze skupiny FeCl3.6H2O nebo FeCl2.4H2O nebo Fe(NO3)3.6H2O ěi Fe(NO3)3.9H2O nebo Fe(SO4)2.7H2O nebo citrát železitý nebo citrát železnatý.
Další podstatou vynálezu je způsob přípravy kompozitního materiálu na bázi nanočástic nulamocného železa vázaných na povrchu matrice, kde podstata řešení spočívá vtom, že povrch matrice tvořené mikročásticemi a/nebo makročásticemi nulamocného železa se stabilizuje ve vodě rozpustnou monomemí nebo polymemí organickou látkou nebo jejich směsí za vyvázání iontů železa, Fe2+ a/nebo Fe3+, které jsou poté transformovány na nanočástice oxidů železa kovalentně vázané a plošně homogenně distribuované na povrchu matrice, které jsou následně redukovány termicky-indukovanými reakcemi v pevné fázi při teplotě nižší než je rozkladná teplota stabilizační organické látky za vzniku kompozitu tvořeného nanočásticemi nulamocného železa vázanými na povrchu matrice tvořené nulamocným železem.
V optimálním případě způsobu přípravy se do vodného roztoku monomemí nebo polymemí organické látky nebo směsi těchto látek se vpraví matrice při dodržení hmotnostního poměru organických látek k matrici v rozmezí 1 : 1 až 1 : 100 a po promíchání směsi po dobu 1 až 60 minut se přidá NaOH a/nebo KOH v množství zajišťující změnu pH roztoku do zásadité oblasti, optimálně na hodnotu pH > 9, následně se přidá roztok látek obsahujících ionty Fe2+ a/nebo Fe3+ a po uplynutí doby syntézy nanočástic oxidů železa na povrch matrice probíhající při teplotě 5 až 95 °C po dobu 5 minut až 3 dnů je vzniklý kompozit magneticky separován a/nebo dekantován, promyt a usušen při maximální teplotě 95 °C, načež je připravený kompozitní materiál redukován v plynné atmosféře při teplotě 200 až 350 °C a tlaku redukčního plynu maximálně 5 barů po dobu 1 až 24 hodin, a po této redukci je vzniklý kompozitní materiál ponechán zchladnout v peci za profukování inertním plynem po dobu 5 až 24 hodin, optimálně 12 hodin, do zchladnutí na pokojovou teplotu.
Konečně je podstatou vynálezu použití kompozitního materiálu pro čistění podzemních a odpadních vod kontaminovaných látkami odbouratelnými redukčními a/nebo sorpčními chemickofyzikálními procesy, a/nebo kontaminovaných patogenními či nežádoucími mikroorganismy, v optimálním případě jako náplně reaktivních bariér pro Čištění podzemních vod.
Předkládaným vynálezem se dosahuje nového účinku v tom, že kombinuje reaktivní částice nulamocného železa o různých velikostech a různé ploše specifického povrchu. To má za následek
-2CZ 305170 B6 kombinaci redukčních vlastností krátkého a dlouhého účinku. Zatímco část kompozitu tvořená nanočásticemi železa rychle snižuje oxidačně-redukční potenciál vodného prostředí a rychle degraduje polutanty, tedy nežádoucí látky nebo patogenní mikroorganismy v místě aplikace, větší částice tvořící matrici kompozitu prodlužují účinek a dlouhodobě udržují redukční prostředí, které napomáhá dlouhodobému účinku nulamocného železa při čištění znečištěných vod. Novost spočívá dále v tom, že nanočástice nulamocného železa jsou pevně, tzn. kovalentně, spojeny s povrchem matrice, což zabraňuje jejich nekontrolovanému uvolňování a šíření v životním prostředí, kde se předpokládá aplikace tohoto kompozitního materiálu. Novost je i v případě samotné přípravy kompozitního materiálu, kdy využití různého typu organické vrstvy na povrchu matrice a volba reakčních podmínek umožňuje ovlivňovat, tzn. řídit, velikost vznikajících nanočástic na povrchu matrice a míru pokrytí povrchu matrice těmito nanočásticemi.
Objasnění výkresů
Podstata vynálezu a jeho konkrétní provedení jsou schematicky znázorněny na připojených výkresech, na nichž obr. 1 je zjednodušené schéma přípravy kompozitních materiálů na bázi nanočástic nulamocného železa vázaných na povrchu matrice tvořené nulamocným železem, obr. 2 (a) až (p) jsou obrazové příklady různě připravených kompozitních materiálů zachycené na snímcích ze skenovacího elektronového mikroskopu před redukcí nanočástic oxidů železa na nanočástic oxidů železa na nanočástice nulamocného železa, které byly připraveny na matrici tvořené mikročásticemi nulamocného železa za různé volby monomeru nebo polymeru a podmínek, kde (a) polymer: chitosan; zdroj iontů železa: FeCl3.6H2O; podmínky reakce: 70 °C, 30 min., (b) polymer: chitosan; zdroj iontů železa: FeCl3.6H2O; podmínky reakce: 90 °C, 30 min., (c) polymer: O-karboxymethylchitosan; zdroj iontů železa: FeCl3.6H2O; podmínky reakce: 70 °C, 30 min., (d) polymer: O-karboxymethylchitosan; zdroj iontů železa: FeCl3.6H2O; podmínky reakce: 90 °C, 30 min., (e) polymer: karboxymethylcelulóza; zdroj iontů železa: FeCl3.6H2O; podmínky reakce: 70 °C, 30 min., (f) polymer: karboxymethylcelulóza; zdroj iontů železa: FeCl3.6H2O; podmínky reakce: 90 °C, 30 min., (g) polymer: polyethylenimin; zdroj iontů železa: FeCl3.6H2O; podmínky reakce: 70 °C, 30 min., (h) polymer: polyethylenimin; zdroj iontů železa: FeCl3.6H2O, podmínky reakce: 90 °C, 30 min., (i) polymer: polyakrylová kyselina; zdroj iontů železa: FeCl3.6H2O, podmínky reakce: 70 °C, 30 min., (j) polymer: polyakrylová kyselina; zdroj iontů železa: FeCl3.6H2O, podmínky reakce: 90 °C, 30 min., (k) monomer: kyselina citrónová; zdroj iontů železa: FeCl3.6H2O, podmínky reakce: 70 °C, 30 min.,
-3 CZ 305170 B6 (l) monomer: kyselina citrónová; zdroj iontů železa: FeCl3.6H2O, podmínky reakce: 90 °C, 30 min., (m) polymer: polystyrensulfonát sodný; zdroj iontů železa: FeCl3.6H2O; podmínky reakce: 70 °C, 30 min., (n) polymer: polystyrensulfonát sodný; zdroj iontů železa: FeCl3.6H2O; podmínky reakce: 90 °C, 30 min., (o) monomer: Polyoxyethylene (20) sorbitan monolaurate; zdroj iontů železa: FeCl3.6H2O; podmínky reakce: 70 °C, 30 min., (p) monomer: Polyoxyethylene (20) sorbitan monolaurate; zdroj iontů železa: FeCl3.6H2O; podmínky reakce: 90 °C, 30 min., obr. 3 (a) až (f) jsou obrazové příklady různě připravených kompozitních materiálů zachycené na snímcích ze skenovacího elektronového mikroskopu před redukcí nanočástic oxidů železa na nanočástice nulamocného železa, které byly připraveny na matrici tvořené mikročásticemi nulamocného železa za různé volby solí železa (tzn. zdrojů železa pro tvorbu nanočástic na povrchu matrice) a podmínek, kde (a) monomer: kyselina citrónová; zdroj iontů železa: FeCl3.4H2O; podmínky reakce: 70 °C, 30 min., (b) monomer: kyselina citrónová; zdroj iontů železa: FeCl2.4H2O; podmínky reakce: 90 °C, 30 min., (c) monomer: kyselina citrónová; zdroj iontů železa: Fe(NO3)3.6H2O; podmínky reakce: 70 °C, 30 min., (d) monomer: kyselina citrónová; zdroj iontů železa: Fe(NO3)3.6H2O; podmínky reakce: 90 °C, 30 min., (e) monomer: kyselina citrónová; zdroj iontů železa: Fe(SO4)2.7H2O; podmínky reakce: 70 °C, 30 min., (f) monomer: kyselina citrónová; zdroj iontů železa: Fe(SO4)2.7H2O; podmínky reakce: 90 °C, 30 min., obr. 4 (a) až (d) jsou obrazové příklady různě připravených kompozitních materiálů zachycené na snímcích ze skenovacího elektronového mikroskopu před redukcí nanočástic oxidů železa na nanočástice nulamocného železa, které byly připraveny na matrici tvořené pilinami nulamocného železa za různé volby monomeru nebo polymeru a podmínek 70 °C, 30 min., kde (a) zachycuje povrch piliny, tedy makročástice tvořené nulamocným železem, (b) zachycuje povrch piliny pokryté kyselinou citrónovou a nanočásticemi oxidů železa připravených z FeCl3.6H2O, podmínky reakce: 70 °C, 30 min., (c) zachycuje povrch piliny pokryté kyselinou polyakrylovou a nanočásticemi oxidů železa připravených z FeCl3.6H2O, podmínky reakce: 70 °C, 30 min., (d) zachycuje povrch piliny pokryté polyethyleniminem a nanočásticemi oxidů železa připravených z FeCl3.6H2O, podmínky reakce: 70 °C, 30 min.,
-4CZ 305170 B6 obr. 5 jsou srovnávací obrazové příklady připravených kompozitních materiálů s vyobrazením nanočástic nulamocného železa na povrchu matrice z mikročástic zachycené na snímcích ze skenovacího elektronového mikroskopu a transmisního elektronového mikroskopu, a to před redukcí a po redukci nanočástic, kde (a) a (b) jsou snímky ze skenovacího elektronového mikroskopu zachycující příklady struktur kompozitního materiálu před redukcí ve vodíkové atmosféře, tedy konkrétně kompozitů založených na matrici tvořené mikročásticemi nulamocného železa, stabilizované monomerem kyselinou citrónovou, zdrojem iontů železa je FeCh.óffO, podmínky přípravy nanočástic oxidů železa jsou 70 °C a 30 min., (c) a (d) jsou snímky ze skenovacího elektronového mikroskopu zachycující struktury kompozitního materiálu po redukci ve vodíkové atmosféře při 230 °C, a to kompozitů založených na matrici tvořené mikročásticemi nulamocného železa, stabilizované monomerem kyselinou citrónovou a na povrchu s nanočásticemi nulamocného Fe, (e) a (f) jsou snímky z transmisního elektronového mikroskopu zachycující struktury kompozitního materiálu po redukci ve vodíkové atmosféře při 230 °C, a to kompozitů založených na matrici tvořené mikročásticemi nulamocného železa, stabilizované monomerem kyselinou citrónovou a na povrchu s nanočásticemi nulamocného Fe, obr. 6 je grafické znázornění záznamu z rentgenové práškové difrakce kompozitního materiálu před redukcí a po redukci ve vodíkové atmosféře při 230 °C, obr. 7 je grafické znázornění výsledku identifikace připravených nanočástic oxidů železa na povrchu matrice tvořené mikročásticemi nulamocného železa, spektrum bylo získáno pomocí Móssbauerovy spektroskopie konverzních elektronů ČEMS.
Obrázky, které objasňují představovaný vynález, a následně popsané příklady konkrétních provedení v žádném případě neomezují rozsah ochrany uvedený v definici, ale jen objasňují podstatu vynálezu.
Příklady uskutečnění vynálezu
Způsob přípravy kompozitního materiálu na bázi nanočástic nulamocného železa vázaných na povrchu matrice tvořené mikročásticemi a/nebo makročásticemi nulamocného železa zcela originálním postupem bude blíže osvětlen pomocí následujících příkladů:
Příklad 1: Příprava kompozitního materiálu, kde jako matrice jsou zvoleny mikročástice nulamocného železa se střední velikostí 1 mikrometr a jako stabilizační organická látka je použit chitosan.
Při přípravě kompozitního materiálu bylo 50 g matrice vpraveno do 250 ml vodného roztoku obsahujícího 5 g chitosanu a směs byla za stálého míchání ponechána 5 min. Poté bylo za stálého míchání přidáno do směsi 20 ml roztoku NaOH, což vedlo ke změně pH do zásadité oblasti s pH > 9 za použití 10-ti molámího roztoku NaOH. Za stálého míchání bylo do směsi následně přidáno 200 ml roztoku obsahujícího 2 g Fe3+ iontů, přičemž jako zdroj iontů železa byl vybrán ve vodě rozpustný FeCl3.6H2O. Vlastní syntéza nanočástic oxidů železa na povrchu matrice probíhala při teplotě 70 °C po reakční dobu 30 minut. Vzniklý kompozit byl po reakci magneticky separován a dekantován, promyt ethanolem, a sušen za pokojové teploty do úplného vyschnutí. Ve druhé fázi byl připravený materiál redukován ve vodíkové atmosféře při teplotě 260 °C, tlaku redukčního plynu 3 bary a době redukce 12 hodin. Zredukovaný materiál byl následně ponechán
-5CZ 305170 B6 v peci do úplného zchladnutí na pokojovou teplotu za neustálého profukování inertním plynem dusíkem, po dobu 12 h.
Příklad 2: Příprava kompozitního materiálu, kde jako matrice jsou zvoleny mikročástice nulamocného železa se střední velikostí 1 mikrometr a jako stabilizační organická látka je použita kyselina citrónová.
Při přípravě kompozitního materiálu bylo 50 g matrice vpraveno do 500 ml vodného roztoku obsahujícího 5 g kyseliny citrónové a směs byla za stálého míchání ponechána 5 min. Poté bylo za stálého míchání přidáno do směsi 20 ml roztoku NaOH, což vedlo ke změně pH do zásadité oblasti s pH > 9 za použití 10-ti molámího roztoku NaOH. Za stálého míchání bylo do směsi následně přidáno 200 ml roztoku obsahujícího 2 g Fe3+ iontů, přičemž jako zdroj iontů železa byl vybrán ve vodě rozpustný FeCl2.4H2O. Vlastní syntéza nanočástic oxidů železa na povrchu matrice probíhala při teplotě 90 °C po reakční dobu 30 minut. Vzniklý kompozit byl po reakci magneticky separován a dekantován, promyt ethanolem, a sušen za pokojové teploty do úplného vyschnutí. Ve druhé fázi byl připravený materiál redukován ve vodíkové atmosféře při teplotě 230 °C, tlaku redukčního plynu 3 bary a době redukce 12 hodin. Zredukovaný materiál byl následně ponechán zchladnout za neustálého profukování inertním plynem - dusíkem, po dobu 24 h.
Příklad 3: Příprava kompozitního materiálu, kde jako matrice jsou zvoleny mikročástice nulamocného železa - piliny, a jako stabilizační organická látka je použit polyethylenimin.
V uváděném příkladu bylo 50 g matrice vpraveno do 200 ml vodného roztoku obsahujícího 5 g polyethyleniminu a směs byla za stálého míchání ponechána 5 min. Poté bylo za stálého míchání přidáno do směsi 20 ml roztoku NaOH, což vedlo ke změně pH do zásadité oblasti s pH > 9 za použití 10-ti molámího roztoku NaOH. Za stálého míchání bylo do směsi následně přidáno 200 ml roztoku obsahujícího 2 g Fe3+ iontů, přičemž jako zdroj iontů železa byl vybrán ve vodě rozpustný FeCl3.6H2O. Vlastní syntéza nanočástic oxidů železa na povrchu matrice probíhala při teplotě 70 °C po reakční dobu 30 minut. Vzniklý kompozit byl po reakci magneticky separován a dekantován, promyt ethanolem, a sušen za pokojové teploty do úplného vyschnutí. Ve druhé fázi byl připravený materiál redukován ve vodíkové atmosféře při teplotě 230 °C, tlaku redukčního plynu 3 bary a době redukce 12 hodin. Zredukovaný materiál byl následně ponechán zchladnout za neustálého profukování inertním plynem - dusíkem, po dobu 12 h.
Příklad 4: Příprava kompozitního materiálu, kde jako matrice jsou zvoleny mikročástice nulamocného železa se střední velikostí 1 mikrometr a jako stabilizační organická látka je použita směs kyseliny akiydové a kyseliny citrónové.
Při přípravě kompozitního materiálu bylo 50 g matrice vpraveno do 250 ml vodného roztoku obsahujícího 1 g kyseliny citrónové a 1 g kyseliny akrylátové a směs byla za stálého míchání ponechána 10 min. Poté bylo za stálého míchání přidáno do směsi 10 ml roztoku NaOH, což vedlo ke změně pH do zásadité oblasti s pH > 9 za použití 10-ti molámího roztoku NaOH. Za stálého míchání bylo do směsi následně přidáno 200 ml roztoku obsahujícího 5 g Fe3+ iontů, přičemž jako zdroj iontů železa byl vybrán ve vodě rozpustný Fe(NO3)3.9H2O. Vlastní syntéza nanočástic oxidů železa na povrchu matrice probíhala při teplotě 90 °C po reakční dobu 15 minut. Vzniklý kompozit byl po reakci magneticky separován a dekantován, promyt ethanolem, a sušen za pokojové teploty do úplného vyschnutí. Ve druhé fázi byl připravený materiál redukován ve vodíkové atmosféře při teplotě 260 °C, tlaku redukčního plynu 1 bar a době redukce 12 hodin. Zredukovaný materiál byl následně ponechán zchladnout za neustálého profukování inertním plynem - heliem, po dobu 12 h.
-6CZ 305170 B6
Příklad 5: Příprava kompozitního materiálu, kde jako matrice jsou zvoleny mikročástice nulamocného železa se střední velikostí 1 mikrometr a jako stabilizační organická látka je použita karboxymethylcelulóza.
Při přípravě kompozitního materiálu bylo 50 g matrice vpraveno do 250 ml vodného roztoku obsahujícího 10 g karboxymethylcelulózy a směs byla za stálého míchání ponechána 30 min. Poté bylo za stálého míchání přidáno do směsi 50 ml roztoku NaOH, což vedlo ke změně pH do zásadité oblasti s pH > 9 za použití 10-ti molámího roztoku NaOH. Za stálého míchání bylo do směsi následně přidáno 200 ml roztoku obsahujícího 10 g Fe3+ iontů, přičemž jako zdroj iontů železa byl vybrán ve vodě rozpustný FeSO4.7H2O. Vlastní syntéza nanočástic oxidů železa na povrchu matrice probíhala při teplotě 60 °C po reakční dobu 60 minut. Vzniklý kompozit byl po reakci magneticky separován a dekantován, promyt methanolem, a sušen za pokojové teploty do úplného vyschnutí. Ve druhé fázi byl připravený materiál redukován v atmosféře dusíku s 10-ti procenty vodíku při teplotě 260 °C, tlaku redukčního plynu 2 bary a době redukce 24 hodin. Zredukovaný materiál byl následně ponechán zchladnout za neustálého profukování inertním plynem - dusíkem, po dobu 6 h.
Příklad 6: Příprava kompozitního materiálu, kde jako matrice jsou zvoleny mikročástice nulamocného železa se střední velikostí 1 mikrometr a jako stabilizační organická látka je použit polystyrensulfonát sodný.
Při přípravě kompozitního materiálu bylo 50 g matrice vpraveno do 250 ml vodného roztoku obsahujícího 15 g polystyrensulfonátu sodného a směs byla za stálého míchání ponechána 30 min. Poté bylo za stálého míchání přidáno do směsi 10 ml roztoku NaOH, což vedlo ke změně pH do zásadité oblasti spH > 9 za použití 10-ti molámího roztoku NaOH. Za stálého míchání bylo do směsi následně přidáno 200 ml roztoku obsahujícího 2 g Fe3+ iontů a 2 g Fe3+ iontů, přičemž jako zdroj iontů železa byly vybrány ve vodě rozpustné FeCl2.4H2O a FeCl3.6H2O. Vlastní syntéza nanočástic oxidů železa na povrchu matrice probíhala při teplotě 25 °C po reakční dobu 20 hodin. Vzniklý kompozit byl po reakci magneticky separován a dekantován, promyt ethanolem, a sušen za pokojové teploty do úplného vyschnutí. Ve druhé fázi byl připravený materiál redukován ve vodíkové atmosféře při teplotě 250 °C, tlaku redukčního plynu 2 bary a době redukce 12 hodin. Zredukovaný materiál byl následně ponechán zchladnout za neustálého profukování inertním plynem - dusíkem, po dobu 12 h.
Příklad 7: Příprava kompozitního materiálu, kde jako matrice jsou zvoleny mikročástice nulamocného železa se střední velikostí 1 mikrometr a jako stabilizační organická látka je použita směs karboxymethylchitosanu a sodná sůl kyseliny citrónové.
Při přípravě kompozitního materiálu bylo 50 g matrice vpraveno do 250 ml vodného roztoku obsahujícího 1 g karboxymethylchitosanu a 9 g kyseliny citrónové a směs byla za stálého míchání ponechána 30 min. Poté bylo za stálého míchání přidáno do směsi 40 ml roztoku NaOH, což vedlo ke změně pH do zásadité oblasti spH > 8,5 za použití 10-ti molámího roztoku NaOH. Za stálého míchání bylo do směsi následně přidáno 200 ml roztoku obsahujícího 8 g Fe3+ iontů, přičemž jako zdroj iontů železa byla vybrána směs ve vodě rozpustného FeCl3.6H2O a citrátu železitého C6H5O7Fe.xH2O. Vlastní syntéza nanočástic oxidů železa na povrchu matrice probíhala při teplotě 90 °C po reakční dobu 45 minut. Vzniklý kompozit byl po reakci magneticky separován a dekantován, promyt ethanolem, a sušen za pokojové teploty do úplného vyschnutí. Ve druhé fázi byl připravený materiál redukován ve vodíkové atmosféře při teplotě 220 °C, tlaku redukčního plynu 5 barů a době redukce 20 hodin. Zredukovaný materiál byl následně ponechán zchladnout za neustálého profukování směsí inertních plynů — dusíku, helia a argonu, po dobu 12 h.
-7CZ 305170 B6
Příklad 8: Příprava kompozitního materiálu, kde jako matrice jsou zvoleny mikročástice nulamocného železa - piliny, a jako stabilizační organická látka je použita kyselina askorbová.
Při přípravě kompozitního materiálu bylo 50 g matrice vpraveno do 250 ml vodného roztoku obsahujícího 0,5 g kyseliny askorbové a směs byla za stálého míchání ponechána 2 min. Poté bylo za stálého míchání přidáno do směsi 10 ml roztoku NaOH, což vedlo ke změně pH do zásadité oblasti s pH > 10 za použití 10-ti molámího roztoku NaOH. Za stálého míchání bylo do směsi následně přidáno 200 ml roztoku obsahujícího 2 g Fe3+ iontů, přičemž jako zdroj iontů železa byl vybrán ve vodě rozpustný Fe(NO3)6.6H2O. Vlastní syntéza nanočástic oxidů železa na povrchu matrice probíhala při teplotě 80 °C po reakční dobu 15 minut. Vzniklý kompozit byl po reakci magneticky separován a dekantován, promyt ethanolem, a sušen za teploty 90 °C do úplného vyschnutí. Ve druhé fázi byl připravený materiál redukován ve vodíkové atmosféře při teplotě 230 °C, tlaku redukčního plynu 2 bary a době redukce 24 hodin. Zredukovaný materiál byl následně ponechán zchladnout za neustálého profukování inertním plynem - dusíkem, po dobu 12 h.
Příklad 9: Příprava kompozitního materiálu, kde jako matrice jsou zvoleny mikročástice nulamocného železa se střední velikostí 1 mikrometr a jako stabilizační organická látka je použit chitosan.
Při přípravě kompozitního materiálu bylo 2,5 g matrice vpraveno do 250 ml vodného roztoku obsahujícího 2,5 g chitosanu a směs byla za stálého míchání ponechána 10 min. Poté bylo za stálého míchání přidáno do směsi 10 ml roztoku KOH, což vedlo ke změně pH do zásadité oblasti s pH > 9 za použití 10-ti molámího roztoku KOH. Za stálého míchání bylo do směsi následně přidáno 200 ml roztoku obsahujícího 2,5 g Fe3+ iontů, přičemž jako zdroj iontů železa byl vybrán ve vodě rozpustný FeCl3.6H2O. Vlastní syntéza nanočástic oxidů železa na povrchu matrice probíhala při teplotě 80 °C po reakční dobu 45 minut. Vzniklý kompozit byl po reakci magneticky separován a dekantován, promyt ethanolem, a sušen za pokojové teploty do úplného vyschnutí. Ve druhé fázi byl připravený materiál redukován ve vodíkové atmosféře při teplotě 220 °C, tlaku redukčního plynu 5 barů a době redukce 20 hodin. Zredukovaný materiál byl následně ponechán zchladnout za neustálého profukování inertním plynem - dusíkem, po dobu 12 h.
Další obrazové příklady připravených kompozitních materiálů s využitím možných kombinací stabilizačních látek ve formě monomerů/polymerů, sloučenin Fe3+/Fe2+, podmínek vzniku nanočástic oxidů Fe na povrchu matric, materiálů vlastní matrice a podmínek redukce nanočástic oxidů Fe na povrchu matrice směrem k nanočásticím nulamocného Fe jsou uvedeny na obr. 2 až obr. 5.
Chemické a strukturní složení a velikost připravených nanočástic byly analyzovány metodami rentgenové difrakční analýzy (XR.D), Mossbauerovou spektroskopií konverzních elektronů na jádrech 57Fe, transmisní elektronovou mikroskopií (TEM) a skenovací elektronovou mikroskopií (SEM).
Mikroskopická SEM charakterizace jednotlivých kompozitů, jejichž příprava byla variována v použití organického stabilizátoru, teploty a doby reakce, popř. použitém zdroji železa, ukazuje, že nanočástice oxidů železa vznikají na povrchu matrice, kde jsou rovnoměrně distribuovány, viz. obr. 2, 3 a 4. Velikost těchto částic oxidů železa je pod 100 nm aje ovlivněna použitými podmínkami reakce, které mohou být variovány v teplotě, optimálně 50 až 95 °C, době reakce, optimálně 30 až 60 min, nebo volbou stabilizační látky. Analýzou rentgenových difrakčních záznamů bylo potvrzeno, že nanočástice oxidů železa jsou v průměru velké 8 až 20 nm. Po redukci kompozitu v redukční, např. vodíkové atmosféře, nedochází ke změně uspořádání nanočástic na matrici, což je ukázáno, na obr. 5, ale dochází k přeměně nanočástic oxidů železa na nanočástice
-8CZ 305170 B6 nulamocného železa, jak je patrné z RTG difrakčních záznamů na obr. 6, kde je ukázán úbytek fáze příslušející oxidu železa. Móssbauerovou spektroskopií konverzních elektronů na jádrech F57 byla také určena fáze oxidu železa, která tvoří nanočástice na povrchu matrice po prvním kroku přípravy, viz. obr. 7.
Průmyslová využitelnost
Kompozitní materiál na bázi nanočástic nulamocného železa vázaných na povrchu matrice vytvořený podle vynálezu je určen zejména k uplatnění pro čištění podzemních a odpadních vod kontaminovaných látkami odbouratelnými redukčními a/nebo sorpčními chemicko-íyzikálními procesy, a/nebo kontaminovaných patogenními či nežádoucímu mikroorganizmy. Jeho vhodné použití je jako náplň reaktivních bariér pro čištění podzemních vod.
Claims (8)
- PATENTOVÉ NÁROKY1. Kompozitní materiál na bázi nanočástic nulamocného železa vázaných na povrchu matrice, vyznačující se tím, že matrice je tvořena mikročásticemi a/nebo makročásticemi nulamocného železa, které jsou stabilizovány vrstvou jedné organické látky nebo směsí organických látek obsahujících jednu nebo více funkčních skupin schopných vytvářet komplexy s ionty železa, na jejímž povrchu jsou kovalentně uchyceny nanočástice nulamocného železa o velikosti 0,5 až 500 nm, kde stabilizační vrstva matrice je tvořena ve vodě rozpustnými monomemími nebo polymemími organickými látkami, přičemž poměr hmotnosti organických látek k matrici je dán rozmezím 1 : 1 až 1 : 100, v optimálním případě 1 : 10, a organické látky jsou vybrány ze skupiny látek obsahujících funkční skupiny -COOH, -NH2, -OH, -HSO3, nebo jejich solí.
- 2. Kompozitní materiál podle nároku 1, vyznačující se tím, že organické látky jsou vybrány přednostně ze skupiny chitosan, karboxymethylchitosan, karboxymethylcelulóza, kyselina akrylová, polyethylenimin, kyselina citrónová, Polyoxyethylen (20) sorbitan monolaurat, polystyrensulfonát sodný, kyselina askorbová.
- 3. Kompozitní materiál podle nároku 1, vyznačující se tím, že ionty železa mají původ ve vodě rozpustných anorganických či organických sloučeninách železa.
- 4. Kompozitní materiál podle nároku 3, vyznačující se t í m, že anorganické či organické sloučeniny železa jsou vybrány ze skupiny dvoumocných a trojmocných solí železa, přednostně ze skupiny FeCl3.6H2O nebo FeCl2.4H2O nebo Fe(NO3)3.6H2O či Fe(NO3)3.9H2O nebo Fe(SO4)2.7H2O nebo citrát železitý nebo citrát železnatý.
- 5. Způsob přípravy kompozitního materiálu na bázi nanočástic nulamocného železa vázaných na povrchu matrice uvedeného v nároku 1 až 4, vyznačující se tím, že povrch matrice tvořené mikročásticemi a/nebo makročásticemi nulamocného železa se stabilizuje ve vodě rozpustnou monomemí nebo polymemí organickou látkou nebo jejich směsí za vyvázání iontů železa, Fe2+ a/nebo Fe3+, které jsou poté transformovány na nanočástice oxidů železa kovalentně vázané a plošně homogenně distribuované na povrchu matrice, které jsou následně redukovány termicky-indukovanými reakcemi v pevné fázi při teplotě nižší než je rozkladná teplota stabilizační organické látky za vzniku kompozitu tvořeného nanočásticemi nulamocného železa vázanými na povrchu matrice tvořené nulamocným železem.
- 6. Způsob přípravy kompozitního materiálu podle nároku 5, vyznačující se tím, že do vodného roztoku monomemí nebo polymemí organické látky nebo směsi těchto látek se vpra-9CZ 305170 B6 ví matrice při dodržení hmotnostního poměru organických látek k matrici v rozmezí 1 : 1 až 1 : 100 a po promíchání směsi po dobu 1 až 60 minut se přidá NaOH a/nebo KOH v množství zajišťující změnu pH roztoku do zásadité oblasti, optimálně na hodnotu pH > 9, následně se přidá roztok látek obsahujících ionty Fe2+ a/nebo Fe3+ a po uplynutí doby syntézy nanočástic oxidů5 železa na povrch matrice probíhající při teplotě 5 až 95 °C po dobu 5 minut až 3 dnů je vzniklý kompozit magneticky separován a/nebo dekantován, promyt a usušen při maximální teplotě 95 °C, načež je připravený kompozitní materiál redukován v plynné atmosféře při teplotě 200 až 350 °C a tlaku redukčního plynu maximálně 5 barů po dobu 1 až 24 hodin, a po této redukci je vzniklý kompozitní materiál ponechán zchladnout v peci za profukování inertním plynem po ío dobu 5 až 24 hodin, optimálně 12 hodin, do zchladnutí na pokojovou teplotu.
- 7. Použití kompozitního materiálu uvedeného v nároku 1 až 4 a vytvořeného způsobem podle nároků 5 až 6 pro čistění podzemních a odpadních vod kontaminovaných látkami odbouratelnými redukčními a/nebo sorpčními chemicko-fyzikálními procesy, a/nebo kontaminovaných patogen15 nimi či nežádoucími mikroorganismy.
- 8. Použití kompozitního materiálu uvedeného v nároku 1 až 4 a vytvořeného způsobem podle nároků 5 až 6 jako náplně reaktivních bariér pro čištění podzemních vod.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2013-821A CZ2013821A3 (cs) | 2013-10-25 | 2013-10-25 | Kompozitní materiál na bázi nanočástic nulamocného železa vázaných na povrchu matrice, způsob jeho přípravy a použití |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2013-821A CZ2013821A3 (cs) | 2013-10-25 | 2013-10-25 | Kompozitní materiál na bázi nanočástic nulamocného železa vázaných na povrchu matrice, způsob jeho přípravy a použití |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ305170B6 true CZ305170B6 (cs) | 2015-05-27 |
| CZ2013821A3 CZ2013821A3 (cs) | 2015-05-27 |
Family
ID=53266940
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2013-821A CZ2013821A3 (cs) | 2013-10-25 | 2013-10-25 | Kompozitní materiál na bázi nanočástic nulamocného železa vázaných na povrchu matrice, způsob jeho přípravy a použití |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ2013821A3 (cs) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CZ306837B6 (cs) * | 2015-11-05 | 2017-08-02 | Technická univerzita v Liberci | Způsob in-situ sanace horninového prostředí kontaminovaného škodlivými chemickými sloučeninami |
| CN117161393A (zh) * | 2023-09-15 | 2023-12-05 | 浙江大学 | 一种绿色经济球磨还原微纳零价铁及其应用 |
| US11932000B2 (en) | 2021-03-23 | 2024-03-19 | Whirlpool Corporation | Refrigerator having a membrane |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CZ306844B6 (cs) * | 2013-12-09 | 2017-08-09 | Regionální centrum pokročilých technologií a materiálů, Univerzita Palackého v Olomouci | Nanočástice železa s povrchovou úpravou, způsob jejich přípravy a jejich použití |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003101541A1 (en) * | 2002-05-29 | 2003-12-11 | Nasa | Contaminant removal from natural resources |
| WO2007108980A1 (en) * | 2006-03-13 | 2007-09-27 | Ndsu Research Foundation | Superparamagnetic cobalt iron oxygen nanoparticles |
| WO2007115189A2 (en) * | 2006-03-30 | 2007-10-11 | Auburn University | In situ remediation of inorganic contaminants using stabilized zero-valent iron nanopaticles |
| US20070256985A1 (en) * | 2006-03-30 | 2007-11-08 | Dongye Zhao | In Situ Remediation of Inorganic Contaminants Using Stabilized Zero-Valent Iron Nanoparticles |
| KR100801985B1 (ko) * | 2006-10-17 | 2008-02-12 | 광주과학기술원 | 계면활성제로 코팅된 바이메탈성 나노 철 입자 |
-
2013
- 2013-10-25 CZ CZ2013-821A patent/CZ2013821A3/cs not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003101541A1 (en) * | 2002-05-29 | 2003-12-11 | Nasa | Contaminant removal from natural resources |
| WO2007108980A1 (en) * | 2006-03-13 | 2007-09-27 | Ndsu Research Foundation | Superparamagnetic cobalt iron oxygen nanoparticles |
| WO2007115189A2 (en) * | 2006-03-30 | 2007-10-11 | Auburn University | In situ remediation of inorganic contaminants using stabilized zero-valent iron nanopaticles |
| US20070256985A1 (en) * | 2006-03-30 | 2007-11-08 | Dongye Zhao | In Situ Remediation of Inorganic Contaminants Using Stabilized Zero-Valent Iron Nanoparticles |
| KR100801985B1 (ko) * | 2006-10-17 | 2008-02-12 | 광주과학기술원 | 계면활성제로 코팅된 바이메탈성 나노 철 입자 |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CZ306837B6 (cs) * | 2015-11-05 | 2017-08-02 | Technická univerzita v Liberci | Způsob in-situ sanace horninového prostředí kontaminovaného škodlivými chemickými sloučeninami |
| US11932000B2 (en) | 2021-03-23 | 2024-03-19 | Whirlpool Corporation | Refrigerator having a membrane |
| CN117161393A (zh) * | 2023-09-15 | 2023-12-05 | 浙江大学 | 一种绿色经济球磨还原微纳零价铁及其应用 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ2013821A3 (cs) | 2015-05-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Huang et al. | Dual functional nanocomposites of magnetic MnFe2O4 and fluorescent carbon dots for efficient U (VI) removal | |
| Jiang et al. | Difunctional chitosan-stabilized Fe/Cu bimetallic nanoparticles for removal of hexavalent chromium wastewater | |
| Ahmed et al. | Nano-Fe0 immobilized onto functionalized biochar gaining excellent stability during sorption and reduction of chloramphenicol via transforming to reusable magnetic composite | |
| Tang et al. | Cobalt nanoparticles-embedded magnetic ordered mesoporous carbon for highly effective adsorption of rhodamine B | |
| Bai et al. | High performance polydopamine-functionalized mesoporous silica nanospheres for U (VI) removal | |
| Yang et al. | Preparation of diamine modified mesoporous silica on multi-walled carbon nanotubes for the adsorption of heavy metals in aqueous solution | |
| Yu et al. | Removal of Cu (ii) from aqueous solution using Fe 3 O 4–alginate modified biochar microspheres | |
| Duan et al. | Effect of Fe3O4@ PDA morphology on the U (VI) entrapment from aqueous solution | |
| Wen et al. | Production of a generic magnetic Fe3O4 nanoparticles decorated tea waste composites for highly efficient sorption of Cu (II) and Zn (II) | |
| CN110430953B (zh) | 用于环境修复的氢氧化物壳的合成 | |
| Xie et al. | Comparisons of the reactivity, reusability and stability of four different zero-valent iron-based nanoparticles | |
| Aljarrah et al. | In situ synthesis of quaternary ammonium on silica-coated magnetic nanoparticles and it’s application for the removal of uranium (VI) from aqueous media | |
| Singh et al. | Encrustation of cobalt doped copper ferrite nanoparticles on solid scaffold CNTs and their comparison with corresponding ferrite nanoparticles: a study of structural, optical, magnetic and photo catalytic properties | |
| Ling et al. | Formation of uniform magnetic C@ CoNi alloy hollow hybrid composites with excellent performance for catalysis and protein adsorption | |
| Mao et al. | Effective loading of well-doped ZnO/Ag3PO4 nanohybrids on magnetic core via one step for promoting its photocatalytic antibacterial activity | |
| Liu et al. | Electrostatic self-assembly of Fe3O4 nanoparticles on carbon nanotubes | |
| CZ305170B6 (cs) | Kompozitní materiál na bázi nanočástic nulamocného železa vázaných na povrchu matrice, způsob jeho přípravy a použití | |
| Wang et al. | Removal of chromium (VI) from wastewater by Mg-aminoclay coated nanoscale zero-valent iron | |
| Zhong et al. | Chain-like Fe 3 O 4@ resorcinol-formaldehyde resins–ag composite microstructures: facile construction and applications in antibacterial and catalytic fields | |
| Jiao et al. | Degradation of nitrobenzene-containing wastewater by carbon nanotubes immobilized nanoscale zerovalent iron | |
| Jacob et al. | In-situ synthesis and characterization of biocompatible magnetic ginger nanofiber composites for copper (II) removal from water | |
| Li et al. | Efficient removal of antimonate from water by yttrium-based metal-organic framework: Adsorbent stability and adsorption mechanism investigation | |
| Zhang et al. | Preparation and catalytic properties of magnetic rectorite-chitosan-Au composites | |
| Liao et al. | Beaded segments like bi-metallic nano-zero-valent iron-titanium for the fast and efficient adsorption and reduction of U (VI) in aqueous solutions | |
| Pang et al. | Magnetic nanohybrid materials for water-pollutant removal |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Patent lapsed due to non-payment of fee |
Effective date: 20201025 |