RU2724243C1 - Способ получения фотокаталитически активного нанокристаллического диоксида титана в кристаллической модификации анатаз - Google Patents
Способ получения фотокаталитически активного нанокристаллического диоксида титана в кристаллической модификации анатаз Download PDFInfo
- Publication number
- RU2724243C1 RU2724243C1 RU2020104994A RU2020104994A RU2724243C1 RU 2724243 C1 RU2724243 C1 RU 2724243C1 RU 2020104994 A RU2020104994 A RU 2020104994A RU 2020104994 A RU2020104994 A RU 2020104994A RU 2724243 C1 RU2724243 C1 RU 2724243C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- titanium dioxide
- initial solutions
- anatase
- photocatalytically active
- nanocrystalline titanium
- Prior art date
Links
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 67
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 title claims abstract description 24
- 238000012986 modification Methods 0.000 title claims abstract description 9
- 230000004048 modification Effects 0.000 title claims abstract description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 title abstract description 29
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 22
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 14
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 claims abstract description 9
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 8
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 11
- VXUYXOFXAQZZMF-UHFFFAOYSA-N titanium(IV) isopropoxide Chemical compound CC(C)O[Ti](OC(C)C)(OC(C)C)OC(C)C VXUYXOFXAQZZMF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 abstract description 11
- 239000000047 product Substances 0.000 abstract description 10
- 239000000843 powder Substances 0.000 abstract description 6
- 238000000576 coating method Methods 0.000 abstract description 4
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 abstract description 4
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 3
- 230000001699 photocatalysis Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 abstract description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 abstract description 2
- 238000004659 sterilization and disinfection Methods 0.000 abstract description 2
- 238000007669 thermal treatment Methods 0.000 abstract 2
- 230000000249 desinfective effect Effects 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 28
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 12
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 description 9
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 8
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 8
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- -1 titanium ions Chemical class 0.000 description 5
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 4
- 239000003570 air Substances 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 description 3
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 3
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 3
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 3
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L Sulfate Chemical compound [O-]S([O-])(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- LCKIEQZJEYYRIY-UHFFFAOYSA-N Titanium ion Chemical class [Ti+4] LCKIEQZJEYYRIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 2
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 239000002073 nanorod Substances 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 229910021653 sulphate ion Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 2
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 2
- 229910000349 titanium oxysulfate Inorganic materials 0.000 description 2
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O Ammonium Chemical compound [NH4+] QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 1
- 239000012080 ambient air Substances 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 239000001045 blue dye Substances 0.000 description 1
- 238000001354 calcination Methods 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 239000000645 desinfectant Substances 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000000113 differential scanning calorimetry Methods 0.000 description 1
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 1
- 239000000975 dye Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N mercury Chemical compound [Hg] QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052753 mercury Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- CXKWCBBOMKCUKX-UHFFFAOYSA-M methylene blue Chemical compound [Cl-].C1=CC(N(C)C)=CC2=[S+]C3=CC(N(C)C)=CC=C3N=C21 CXKWCBBOMKCUKX-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229960000907 methylthioninium chloride Drugs 0.000 description 1
- 244000005706 microflora Species 0.000 description 1
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 1
- 230000001717 pathogenic effect Effects 0.000 description 1
- 230000002572 peristaltic effect Effects 0.000 description 1
- 239000002957 persistent organic pollutant Substances 0.000 description 1
- 238000007146 photocatalysis Methods 0.000 description 1
- 239000011941 photocatalyst Substances 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 1
- 230000011514 reflex Effects 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 239000013049 sediment Substances 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 239000002893 slag Substances 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 238000004729 solvothermal method Methods 0.000 description 1
- 238000000527 sonication Methods 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 239000011550 stock solution Substances 0.000 description 1
- LLZRNZOLAXHGLL-UHFFFAOYSA-J titanic acid Chemical compound O[Ti](O)(O)O LLZRNZOLAXHGLL-UHFFFAOYSA-J 0.000 description 1
- 150000003608 titanium Chemical class 0.000 description 1
- 229910000048 titanium hydride Inorganic materials 0.000 description 1
- XJDNKRIXUMDJCW-UHFFFAOYSA-J titanium tetrachloride Chemical compound Cl[Ti](Cl)(Cl)Cl XJDNKRIXUMDJCW-UHFFFAOYSA-J 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J21/00—Catalysts comprising the elements, oxides, or hydroxides of magnesium, boron, aluminium, carbon, silicon, titanium, zirconium, or hafnium
- B01J21/06—Silicon, titanium, zirconium or hafnium; Oxides or hydroxides thereof
- B01J21/063—Titanium; Oxides or hydroxides thereof
-
- B01J35/39—
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
- B82B3/0004—Apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of nanostructural devices or systems or methods for manufacturing the same
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
- B82B3/0009—Forming specific nanostructures
- B82B3/0014—Array or network of similar nanostructural elements
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
- B82B3/0009—Forming specific nanostructures
- B82B3/0033—Manufacture or treatment of substrate-free structures, i.e. not connected to any support
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
- C01G23/00—Compounds of titanium
- C01G23/04—Oxides; Hydroxides
- C01G23/047—Titanium dioxide
- C01G23/053—Producing by wet processes, e.g. hydrolysing titanium salts
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/16—Oxides
Abstract
Изобретение относится к технологии получения порошков нанокристаллического диоксида титана, которые могут быть использованы для фотокаталитической очистки и обеззараживания воздуха и воды, создания фотоэлектрических преобразователей энергии, новых композиционных и каталитических материалов, и может применяться в энергетике, в химической промышленности, в мебельной промышленности при изготовлении обеззараживающих покрытий для мебели, покрытий для портьер и жалюзи. Способ получения фотокаталитически активного нанокристаллического диоксида титана в кристаллической модификации анатаз включает приготовление исходных растворов - тетраизопропилата титана в абсолютном изопропаноле, воды в изопропаноле, их последующее смешивание и термообработку, при этом смешивание исходных растворов осуществляют в микрореакторе со сталкивающимися струями, угол между которыми в вертикальной плоскости задают в интервале от 70° до 120°, а расходы исходных растворов задают равными и обеспечивающими условия, при которых при столкновении струй образуется жидкостная пелена со средней толщиной порядка 10-20 мкм, в которой происходит контакт и интенсивное смешивание исходных растворов, после чего проводят отделение образовавшегося аморфного осадка от раствора и термообработку осадка при температуре 350°С в течение 30 минут, в процессе которой происходит формирование кристаллической фазы анатаза. Изобретение позволяет получать фотокаталитически активный нанокристаллический диоксид титана анатазной модификации при сокращении времени проведения реакции гидролиза и снижении суммарных энергетических затрат на получение единицы массы продукта в промышленном масштабе. 4 ил., 1 табл.
Description
Изобретение относится к способам получения порошков нанокристаллического диоксида титана, которые могут быть использованы для фотокаталитической очистки и обеззараживания воздуха и воды, создания фотоэлектрических преобразователей энергии, новых композиционных и каталитических материалов, и может применяться в энергетике, в химической промышленности, в мебельной промышленности при изготовлении обеззараживающих покрытий для мебели, покрытий для портьер и жалюзи. Фотокатализ на диоксиде титана является перспективным методом уничтожения органических загрязнителей и патогенной микрофлоры в воздухе и воде.
Для оценки новизны заявленного решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения, характеризуемых совокупностью сходных с заявленным устройством признаков.
Значительная часть способов получения порошков диоксида титана основана на реакциях гидролиза солей титана в растворах, приводящих к выпадению в осадок гидратированных форм диоксида титана с последующим их выделением и высокотемпературной обработкой до получения кристаллического диоксида титана преимущественно с кристаллической модификацией рутил. Широко известны сульфатные способы, когда в качестве гидролизующейся соли используют титанилсульфат, выщелачиваемый серной кислотой из титансодержащего сырья (руды, титансодержащих шлаков и т.п.) (патент РФ №2317345 от 17.10.2003). Помимо титани л сульфата возможно использование для гидролиза других соединений титана (IV), например, тетрахлорида титана (патент РФ №2435733 от 20.07.2010, патент 2281913 от 14.10.2004), фтортитаната аммония (патент РФ №2392229 от 16.01.2006), тетралкоксида титана (патент РФ №2291839 от 10.11.2004).
Во всех перечисленных способах, основанных на гидролизе солей титана (IV), присутствует стадия высокотемпературной (500-1000°С) обработки выделенного осадка гидратированного оксида (гидроксида титана) для перевода его в кристаллический диоксид титана. Необходимость такой обработки усложняет аппаратное оформление процесса, кроме того, отжиг приводит к укрупнению частиц получаемого диоксида титана, снижению величины удельной поверхности материала в результате спекания, ограничивает возможности технологии получением только рутильной формы диоксида титана. Кроме того, в известных способах высокотемпературная термообработка занимается продолжительное время - порядка 24 часов, что приводит к существенным затратам времени и электроэнергии на единицу массы образуемого продукта.
Известно, что получение кристаллической формы диоксида титана возможно непосредственно кристаллизацией из раствора, если гидролиз проводить в гидротермальных условиях. В способах по патентам №2408427 от 20.07.2009 и №2408428 от 20.07.2009 получение фотокатализатора на основе мезопористых частиц диоксида титана с высокой удельной поверхностью осуществляют гидротермальным гидролизом кислого водного раствора сульфата титанила при температуре в диапазоне 100-250°С в течение 0,5-24 часа. Во втором случае раствор во время термообработки дополнительно облучают микроволновым излучением. Способы позволяют получать высокоактивный нанокристаллический порошок диоксида титана непосредственно из раствора, однако требуют сложного оборудования для работы под избыточным давлением.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению является способ получения наноразмерных частиц диоксида титана, по патенту РФ №2349549, включающий гидролиз водного раствора, содержащего ионы титана Ti3+в присутствии кислоты при нагревании. При этом водный раствор, содержащий ионы титана Ti3+, получают растворением гидрида титана или металлического титана в 37% соляной или 96% серной кислоте, разбавленной водой, соответственно 1:2 или 1:3,4 до получения соотношения Ti3+:Cl-, равного 1:6, либо Ti3+:SO4 2-, равного 1:3. Полученный раствор, содержащий ионы трехвалентного титана, нагревают до температуры 100-150°С и выдерживают при этой температуре 15-20 часов, после чего охлаждают до комнатной температуры. Осадок отфильтровывают, промывают водой и этанолом и сушат при 80°С в течение 2 часов. По данным фазового анализа продукт представляет собой диоксид титана со структурой анатаза и, согласно электронно-микроскопическим исследованиям, состоит из частиц в форме нанопрутков диаметром 5-15 нм и длиной до 500 нм. Как установили авторы известного изобретения, ионы трехвалентного титана в растворе играют роль катализатора гидролиза и обеспечивают получение диоксида титана анатазной модификации в виде нанопрутков.
К недостаткам описанного способа следует отнести большую длительность процесса гидролиза (15-20 часов), необходимость нагревания и длительной выдержки раствора при высокой температуре (вплоть до 150°С). Все это технически усложняет процесс и снижает его производительность.
Задачей изобретения является получение фотокаталитически активного нанокристаллического диоксида титана анатазной модификации при сокращении времени проведения реакции гидролиза и снижении суммарных энергетических затрат на получение единицы массы продукта.
Сущность заявленного технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для решения указанной заявителем технической проблемы и получения обеспечиваемого изобретением технического результата.
Согласно изобретению способ получения фотокаталитически активного нанокристаллического диоксида титана в кристаллической модификации анатаз, включающий приготовление исходных растворов - тетраизопропилата титана в абсолютном изопропаноле, воды в изопропаноле, и их последующее смешивание и термообработку, характеризуется тем, что смешивание исходных растворов осуществляют в микрореакторе со сталкивающимися струями, при этом угол между струями в микрореакторе в вертикальной плоскости задают в интервале от 70° до 120°, а расходы исходных растворов задают равными и обеспечивающими условия, при которых при столкновении струй образуется жидкостная пелена со средней толщиной порядка 10-20 мкм, в которой происходит контакт и интенсивное смешивание исходных растворов, после чего проводят отделение образовавшегося аморфного осадка от раствора и термообработку осадка при температуре 350°С в течение 30 минут, в процессе которой происходит формирование кристаллической фазы анатаза.
Заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает достижение технического результата, который заключается в том, что наиболее энергоемкий и продолжительный процесс проводится при умеренной температуре и за короткий промежуток времени, что и позволяет снизить суммарные энергетические затраты на получение единицы массы продукта.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, на котором на фиг. 1 представлена схема микрореактора для реализации заявленного способа, на фиг. 2 - кривые потери массы и дифференциальной сканирующей калориметрии образцов 1 и 3, на фиг. 3 - рентгенограммы образцов 1 (без термообработки), 1-350, 1-500 и 1-850 (число после единицы означает температуру, при которой проводилась термообработка), на фиг. 4 - микрофотографии образца 1 после дополнительной термообработки при 350°С (а), 500°С (б) и 850°С (в). В таблице 1 приведены условия синтеза образцов 1-5.
Микрореактор со сталкивающимися струями содержит корпус 1, установленные в нем сопла 2, в которые насосами (на фиг. 1 условно не показаны) подаются исходные растворы. Истекающие из сопел 2 струи 3 при столкновении образуют жидкостную пелену 4, в которой происходит интенсивное перемешивание растворов. В нижней части корпуса находится коническое днище 5, а в верхней - полусферическая крышка 6. Через патрубок 7 отводятся продукты реакции, а через патрубок 8 происходит подсос воздуха из окружающего воздуха, что позволят поддерживать атмосферное давление в аппарате.
Заявленный способ реализуют следующим образом.
Заявленный способ включает следующие операции:
- приготовление исходных растворов, а именно, раствора тетраизопропилата титана в абсолютном изопропаноле и раствора воды в изопропаноле;
- смешивание исходных растворов в микрореакторе со сталкивающимися струями;
- отделение аморфного осадка от раствора любым известным методом;
- термообработка осадка при температуре 350°С в течение 30 минут.
Гидролиз тетраизопропилата титана происходит при смешивании растворов в микрореакторе со сталкивающимися струями, подаваемых с расходом 200 мл/мин через сопла диаметром 500±50 мкм. При столкновении струй образуется тонкая пелена, в которой происходит быстрое и эффективное перемешивание, способствующее гомогенизации растворов контактирующих реагентов и, как следствие, нуклеации (зародышеобразованию) наноразмерных частиц.
Угол между струями в вертикальной плоскости задают в интервале от 70° до 120°. Исследования показали, что при уменьшении угла менее 70° пелена быстро распадается, а при увеличении угла более 120° качество перемешивания по объему жидкостной пелены становится неудовлетворительным.
Расходы растворов исходных компонентов задают равными и обеспечивающими условия, чтобы при столкновении струй образовалась жидкостная пелена со средней толщиной порядка 10-20 мкм, в которой происходит контакт и интенсивное смешение растворов исходных компонентов. Равенство расходов растворов продиктовано необходимостью удерживать заданное стехиометрией соотношение тетраизопропилата титана и воды, а также создавать устойчивую и однородно перемешанную жидкостную пелену.
Процесс смешения в микрореакторе со сталкивающимися струями (МРСС) достаточно кратковременный (длится примерно 5 мс), и несколько превышает длительность реакции, т.е. за время смешения успевает произойти нуклеация, но для роста частиц времени недостаточно, что и позволяет получить наноразмерные частицы.
Для сравнения приведем суммарные энергетические затраты на получение единицы массы (1 кг) продукта по известному способу и по предлагаемому изобретению.
Известный сольвотермальный способ. Нагрев реагентов и растворителя в автоклаве в печи в течении 24 ч - 48 кВт-ч, затраты на центрифугирование - 2,5 кВт-ч, прокаливание полученного образца до 500°С - 4 кВт-ч. Итого 54,5 кВт-ч.
Заявленный способ с использованием МРСС. Работа двух насосов (при указанных выше параметрах потребляемая одним насосом мощность - 0,72 Вт), на получение 1 кг продукта потребуется 45 минут, за это время работы потребляемая двумя насосами энергия 1,087 Вт-ч, затраты на центрифугирование - 2,5 кВт-ч, прокаливание полученного образца до 500°С - 4 кВт-ч. Итого 6,5 кВт-ч, что в 8.4 раза меньше, чем по известному способу.
Таким образом, использование заявленного изобретения позволяет многократно снизить энергетические затраты, а при использовании печей непрерывного типа -увеличить производительность в сотни и тысячи раз по сравнению с известными аналогами. Это позволяет использовать заявленное изобретение в промышленном масштабе производства фотокаталитически активного нанокристаллического диоксида титана в кристаллической модификации анатаз.
Заявленный способ иллюстрируется следующим примером, в котором были проведены все стадии заявленного процесса.:
1 стадия. Для синтеза диоксида титана были использованы следующие реактивы: изопропилат титана (≥98%, Aldrich), абсолютированный изопропиловый спирт (ОСЧ, Вектон), дистиллированная вода, этанол.
2 стадия. Условия синтеза представлены в табл.1.
Полученные растворы с помощью перистальтических насосов подавали в корпус 1 микрореактора в виде тонких струй через патрубок 2 с соплом 3 со скоростью 16,98 м/с.В месте контакта струй образовывалась жидкая пелена молочного цвета. Образующуюся суспензию собирали в емкость под реактором. Продукты реакции отделяли центрифугированием и последовательно промывали изопропиловым спиртом и этанолом, после чего сушили в сушильном шкафу при 80°С в течение 12 часов. Затем проводили термообработку полученных порошков при температурах 350°С, 500°С и 850°С, поскольку для формирования кристаллической фазы анатаза требуется дополнительная термообработка продукта (фиг. 3, 4). После нагревания образцов до 350°С на дифрактограммах наблюдали рефлексы, соответствующие анатазу, которые были значительно уширены. При дальнейшем увеличении температуры происходил рост кристаллов, что выражалось в сужении пиков, а при 850°С анатаз переходил в рутил (фиг. 3, 4).
Исследование каталитической активности проводили под действием излучения ртутной лампы ДРЛ-100 высокого давления с использованием стеклянного фильтра (λ≥320 нм). Навеску катализатора (10,0 мг) суспендировали в 1 мл воды при обработке ультразвуком (20 минут), переносили в стакан, содержащий 150 мл водного раствора красителя метиленового синего (0.1 ммоль). Полученную суспензию облучали при перемешивании на магнитной мешалке, отбирая аликвоты по 3 мл, которые анализировали на УФ спектрометре СФ-2000. Изменение содержания красителя рассчитывалось по уменьшению интенсивности максимума поглощения за вычетом фонового поглощения при X - 460 нм.
Расчет энергии, затраченной на приготовление 1 кг продукта, дает значение 6,5 кВт-ч/кг.
Известный способ иллюстрируется следующим примером
В качестве образца сравнения использовали коммерческий порошок диоксида титана Aeroxide® Р25 со средним размером частиц 21 нм.
Расчет энергии, затраченной на приготовление 1 кг продукта, дает значение 54,5 кВт-ч/кг.
Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет получить фотокаталитически активный нанокристаллический диоксид титана в кристаллической модификации анатаз при сниженных (по сравнению с известными техническими решениями) температурах и давлениях, снизить затраты энергии и обеспечить непрерывность процесса с возможностью его осуществления в промышленном масштабе.
Claims (1)
- Способ получения фотокаталитически активного нанокристаллического диоксида титана в кристаллической модификации анатаз, включающий приготовление исходных растворов - тетраизопропилата титана в абсолютном изопропаноле, воды в изопропаноле, и их последующее смешивание и термообработку, отличающийся тем, что смешивание исходных растворов осуществляют в микрореакторе со сталкивающимися струями, при этом угол между струями в микрореакторе в вертикальной плоскости задают в интервале от 70° до 120°, а расходы исходных растворов задают равными и обеспечивающими условия, при которых при столкновении струй образуется жидкостная пелена со средней толщиной порядка 10-20 мкм, в которой происходит контакт и интенсивное смешивание исходных растворов, после чего проводят отделение образовавшегося аморфного осадка от раствора и термообработку осадка при температуре 350°С в течение 30 минут, в процессе которой происходит формирование кристаллической фазы анатаза.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020104994A RU2724243C1 (ru) | 2020-02-03 | 2020-02-03 | Способ получения фотокаталитически активного нанокристаллического диоксида титана в кристаллической модификации анатаз |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020104994A RU2724243C1 (ru) | 2020-02-03 | 2020-02-03 | Способ получения фотокаталитически активного нанокристаллического диоксида титана в кристаллической модификации анатаз |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2724243C1 true RU2724243C1 (ru) | 2020-06-22 |
Family
ID=71135691
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020104994A RU2724243C1 (ru) | 2020-02-03 | 2020-02-03 | Способ получения фотокаталитически активного нанокристаллического диоксида титана в кристаллической модификации анатаз |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2724243C1 (ru) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11171543A (ja) * | 1997-08-15 | 1999-06-29 | Showa Denko Kk | 金属酸化物微粒子の製造方法 |
| EA013089B1 (ru) * | 2005-12-11 | 2010-02-26 | Скф Технолоджис А/С | Получение наноразмерных материалов |
| RU2575026C1 (ru) * | 2014-08-06 | 2016-02-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кемеровский государственный университет" (КемГУ) | Способ получения кристаллического диоксида титана в структурной модификации анатаз |
-
2020
- 2020-02-03 RU RU2020104994A patent/RU2724243C1/ru active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11171543A (ja) * | 1997-08-15 | 1999-06-29 | Showa Denko Kk | 金属酸化物微粒子の製造方法 |
| EA013089B1 (ru) * | 2005-12-11 | 2010-02-26 | Скф Технолоджис А/С | Получение наноразмерных материалов |
| RU2575026C1 (ru) * | 2014-08-06 | 2016-02-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кемеровский государственный университет" (КемГУ) | Способ получения кристаллического диоксида титана в структурной модификации анатаз |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| СТЕПАНОВ А.Ю. и др., Синтез и исследование фотокаталитических свойств материалов на основе TiO2, "Вестник КемГУ", 2013, N2(54), т.1, стр.249-255. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ismagilov et al. | Synthesis and stabilization of nano-sized titanium dioxide | |
| CN100484880C (zh) | 低温晶化纳米二氧化钛粉体及溶胶的合成方法 | |
| Guo et al. | Sonochemical synthesis of nanocrystalline TiO2 by hydrolysis of titanium alkoxides | |
| CN107935039B (zh) | 一种二氧化钛水性溶胶的制备方法 | |
| JP3076844B1 (ja) | メソポーラス酸化チタン多孔体およびその製造方法 | |
| CN100546915C (zh) | 一种锐钛矿型二氧化钛纳米粉体的制备方法 | |
| CN101508464B (zh) | 锐钛矿型纳米二氧化钛的制备方法 | |
| JP3845720B2 (ja) | ニオブ酸カリウム光触媒およびその製造方法 | |
| Kudryashova et al. | Preparation of photocatalizers based on titanium dioxide synthesized using a microreactor with colliding jets | |
| CN105523583A (zh) | 一种纳米二氧化钛粉体的合成方法 | |
| CN101920991A (zh) | 一种制备纳米二氧化钛的方法 | |
| KR100708812B1 (ko) | 아나타제형 이산화티탄 광촉매 제조방법 | |
| JP3482461B2 (ja) | チタン酸カリウム光触媒及びその製造方法 | |
| JP3055684B1 (ja) | アナタ―ゼ型酸化チタンの製造方法 | |
| RU2724243C1 (ru) | Способ получения фотокаталитически активного нанокристаллического диоксида титана в кристаллической модификации анатаз | |
| CN101444726A (zh) | 高性能二氧化钛光催化纳米材料的制备方法 | |
| KR101764016B1 (ko) | 순수한 아나타제상의 이산화티타늄 입자의 제조방법 | |
| CN102240561A (zh) | 一种CS/TiO2-NTs复合光催化剂的制备方法 | |
| Kurajica et al. | The utilization of modified alkoxide as a precursor for solvothermal synthesis of nanocrystalline titania | |
| CN100450935C (zh) | 尺寸可控的电子级锐钛矿二氧化钛纳米粉体的制备方法 | |
| Yanchao et al. | La-doped titania nanocrystals with superior photocatalytic activity prepared by hydrothermal method | |
| CN102502808A (zh) | 纳米级二氧化钛的制备方法 | |
| CN108455665A (zh) | 连续反应制备金红石型纳米二氧化钛的方法 | |
| Kim et al. | Hydrothermal synthesis of titanium dioxide using acidic peptizing agents and their photocatalytic activity | |
| JPH10265223A (ja) | アナタース形微粒子酸化チタンの製造方法 |