RU2763695C1 - Porous iron-potassium oxide composite with a bidisperse structure and a method for its production - Google Patents

Porous iron-potassium oxide composite with a bidisperse structure and a method for its production Download PDF

Info

Publication number
RU2763695C1
RU2763695C1 RU2021118238A RU2021118238A RU2763695C1 RU 2763695 C1 RU2763695 C1 RU 2763695C1 RU 2021118238 A RU2021118238 A RU 2021118238A RU 2021118238 A RU2021118238 A RU 2021118238A RU 2763695 C1 RU2763695 C1 RU 2763695C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
composite
potassium
oxide
nitrate
iron
Prior art date
Application number
RU2021118238A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Анна Юлиановна Бугаева
Людмила Юрьевна Назарова
Евгений Михайлович Тропников
Владимир Александрович Белый
Юрий Иванович Рябков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "КОМИ научный центр Уральского отделения Российской академии наук"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "КОМИ научный центр Уральского отделения Российской академии наук" filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "КОМИ научный центр Уральского отделения Российской академии наук"
Priority to RU2021118238A priority Critical patent/RU2763695C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2763695C1 publication Critical patent/RU2763695C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/70Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper
    • B01J23/76Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper combined with metals, oxides or hydroxides provided for in groups B01J23/02 - B01J23/36
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/08Heat treatment
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82BNANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • B82B3/0009Forming specific nanostructures
    • B82B3/0028Forming specific nanostructures comprising elements which are movable in relation to each other, e.g. slidable or rotatable
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82BNANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • B82B3/009Characterizing nanostructures, i.e. measuring and identifying electrical or mechanical constants
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C1/00Making non-ferrous alloys
    • C22C1/08Alloys with open or closed pores
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C1/00Making non-ferrous alloys
    • C22C1/10Alloys containing non-metals
    • C22C1/1094Alloys containing non-metals comprising an after-treatment

Abstract

FIELD: composite materials production.
SUBSTANCE: invention relates to methods for producing porous composite materials with a bidispersed submicrostructure. It can be used in the medical, chemical and petrochemical industries. Prepare a charge containing crystalline hydrate iron nitrate, crystalline hydrate cerium nitrate, potassium nitrate, molybdenum oxide, titanium oxide, calcium carbonate, tetraethoxysilane, taken in a stoichiometric ratio. A burnout microadditive in the form of birch dioxane lignin in an amount of 0.125-0.250 wt.% is impregnated into the charge with the products of hydrolysis of salts obtained using coprecipitation or sol-gel methods. The composite is molded and firing is carried out in the temperature range 20-700°C at a heating rate of 10°/min and isothermal holding for 3 hours. The composite contains phases of iron oxide α-Fe2O3, cerium oxide CeO2, potassium molybdate K2MoO4, potassium ferrites of the composition KFeO2 and KFe11O17, has a bidisperse structure and is characterized by a total pore volume from 0.006 to 0.013 cm3/g, mesopore diameter in the range from 16 to 40 nm, macropore diameters from 75 to 130 nm with a specific surface area from 2 to 5 m2/g.
EFFECT: increased efficiency of application and expansion of functionality in chemical and physical processes.
2 cl, 1 dwg, 3 tbl, 6 ex

Description

Изобретение относится к области получения пористых композиционных материалов с бидисперсной субмикроструктурой, которые могут найти применение в медицинской, химической и нефтехимической промышленности.The invention relates to the production of porous composite materials with a bidisperse submicrostructure, which can be used in the medical, chemical and petrochemical industries.

Применение оксидов железа в качестве основных компонентов композиционных материалов ограничено сложностью получения развитой пористой структуры [Комаров В.С., Бесараб С. В. Синтез бипористых металлосиликатных адсорбентов и катализаторов // Весцi нацыянальнай акадэмii навук Беларусi. Серыя хiмiчных навук. 2013. № 1. С. 36-39]. Формирование композитов с бидисперсной пористой структурой является принципиальной проблемой их синтеза [Комаров В.С., Бесараб С. В. Синтез бипористых металлосиликатных адсорбентов и катализаторов // Весцi нацыянальнай акадэмii навук Беларусi. Серыя хiмiчных навук. 2013. № 1. С. 36-39]. Преимущества такой структуры по сравнению с монодисперсной заключаются в наибольшей степени использования внутренней поверхности материала [Анциферов В.Н., Порозова С.Е. Высокопористые алюмосиликатные материалы: получение, свойства, применение. Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 1995. 120 с.].The use of iron oxides as the main components of composite materials is limited by the complexity of obtaining a developed porous structure [Komarov V.S., Besarab S.V. Synthesis of biporous metal silicate adsorbents and catalysts // Vesciyanalnaya academy of sciences of Belarus. Gray chemical sciences. 2013. No. 1. S. 36-39]. The formation of composites with a bidisperse porous structure is a fundamental problem of their synthesis [Komarov V.S., Besarab S.V. Synthesis of biporous metallosilicate adsorbents and catalysts // Vesti natsyyanalnaya akademii navuk Belarusi. Gray chemical sciences. 2013. No. 1. S. 36-39]. The advantages of such a structure compared to a monodisperse one lie in the greatest use of the inner surface of the material [Antsiferov V.N., Porozova S.E. Highly porous aluminosilicate materials: preparation, properties, application. Perm: Publishing House Perm. state tech. un-ta, 1995. 120 p.].

Для решения указанной проблемы использовали способ формирования пористых текстурированных структур керамических материалов путем введения в шихту выгорающих добавок. Известно, что получение таких материалов происходит в основном методами сухого перемешивания [Ратько А. И., Иванец А. И., Азаров С.М. Влияние добавок на пористую структуру керамики на основе кристаллического SiO2 // Неорг. матер. 2008. Т. 44. № 7. С. 883-889. DOI: 10.1134/S0020168508070182], с использованием способов соосаждения солей и золь-гель [Бугаева А.Ю., Лоухина И.В., Казакова Е.Г., Назарова Л.Ю., Рябков Ю.И. Влияние порошковой целлюлозы и способа получения шихты на фазовый состав и характеристики железо-калиевооксидного материала // ЖПХ. 2019. Т. 92. Вып. 10. С. 1271-1282. DOI: 10.1134/S0044461819100062].To solve this problem, a method was used to form porous textured structures of ceramic materials by introducing burnable additives into the charge. It is known that the production of such materials occurs mainly by dry mixing methods [Ratko A.I., Ivanets A.I., Azarov S.M. Influence of additives on the porous structure of ceramics based on crystalline SiO 2 // Neorg. mater. 2008. V. 44. No. 7. S. 883-889. DOI: 10.1134/S0020168508070182], using salt coprecipitation and sol-gel methods [Bugaeva A.Yu., Loukhina I.V., Kazakova E.G., Nazarova L.Yu., Ryabkov Yu.I. Influence of powdered cellulose and the method of obtaining a charge on the phase composition and characteristics of iron-potassium oxide material // ZhPKh. 2019. V. 92. Issue. 10. S. 1271-1282. DOI: 10.1134/S0044461819100062].

Наиболее близким аналогом способа получения пористого железо-калиевооксидного композита с бидисперсной структурой является способ получения композита на основе железо-калиевооксидной системы [Бугаева А.Ю., Лоухина И.В., Казакова Е.Г., Назарова Л.Ю., Рябков Ю.И. Влияние порошковой целлюлозы и способа получения шихты на фазовый состав и характеристики железо-калиевооксидного материала // ЖПХ. 2019. Т. 92. Вып. 10. С. 1271-1282. DOI: 10.1134/S0044461819100062], в котором композит получают с использованием способов соосаждения/золь - гель и импрегнированием выгорающей добавки (1-3 мас. %), обладающий гомогенностью состава; содержащий в качестве активной фазы моноферрит калия; имеющий средний радиус пор не более 50 нм. В качестве выгорающей добавки используют порошковую целлюлозу со следующими характеристиками: молярное соотношение С/О 1.2, удельная поверхность 6.00 м2/г, общий объем пор 0.007 см3/г, средний диаметр пор 4.8 нм, средний диаметр частиц ~2.5 мкм.The closest analogue of the method for producing a porous iron-potassium oxide composite with a bidisperse structure is a method for producing a composite based on an iron-potassium oxide system [Bugaeva A.Yu., Loukhina I.V., Kazakova E.G., Nazarova L.Yu., Ryabkov Yu .AND. Influence of powdered cellulose and the method of obtaining a charge on the phase composition and characteristics of iron-potassium oxide material // ZhPKh. 2019. V. 92. Issue. 10. S. 1271-1282. DOI: 10.1134/S0044461819100062], in which the composite is obtained using co-precipitation/sol-gel methods and impregnation of a burnable additive (1-3 wt.%), having a homogeneous composition; containing potassium monoferrite as an active phase; having an average pore radius of not more than 50 nm. The additive is used as a burnable cellulose powder having the following characteristics: molar ratio C / O 1.2, specific surface area 6.00 m 2 / g, a total pore volume 0.007 cm 3 / g, average pore diameter 4.8 nm, the average particle diameter of 2.5 ~ m.

Недостатками использованной выгорающей добавки являются низкие значения молярного соотношения С/О и текстурных характеристик, незначительное количество моноферрита калия и отсутствие сведений о микроструктуре композита, полученного в следствии использования выгорающей добавки.The disadvantages of the used burnable additive are low values of the C/O molar ratio and texture characteristics, a small amount of potassium monoferrite, and the lack of information about the microstructure of the composite obtained as a result of the use of a burnable additive.

Наиболее близким аналогом композита с бидисперсной структурой является пористая керамика на основе диоксида кремния с образованием полидисперсной структуры с мезопорами диаметром до 30 нм и макропорами диаметром 10 мкм и ультрамакропорами диаметром 50 мкм [Ратько А.И., Иванец А.И., Азаров С.М. Влияние добавок на пористую структуру керамики на основе кристаллического SiO2 // Неорг. матер. 2008. Т. 44. №7. С. 883-889 DOI: 10.1134/S0020168508070182]. Композит получен с использованием в качестве выгорающих добавок: муки (длиной частиц 10–20 мкм и их диаметром 2 мкм) или крахмала (диаметром частиц 5–70 мкм) или микроцеллюлозы (длиной волокон 10–30 мкм, диаметром ~2–5 мкм) или технической сажи (диаметром частиц - 50 нм).The closest analogue of a composite with a bidisperse structure is porous ceramics based on silicon dioxide with the formation of a polydisperse structure with mesopores up to 30 nm in diameter and macropores 10 μm in diameter and ultramacropores 50 μm in diameter [Ratko A.I., Ivanets A.I., Azarov S. M. Influence of additives on the porous structure of ceramics based on crystalline SiO2 // Neorg. mater. 2008. V. 44. No. 7. pp. 883-889 DOI: 10.1134/S0020168508070182]. The composite was obtained using as burn-out additives: flour (particles 10–20 µm long and 2 µm in diameter) or starch (particles 5–70 µm in diameter) or microcellulose (fibers 10–30 µm long, ~2–5 µm in diameter) or technical soot (particle diameter - 50 nm).

Недостатком применения указанных выгорающих добавок является их значительное количество (2-25 мас. %), которое повышает риск разрушения материала за счет большого количества и размера макропор и ульрамакропор.The disadvantage of using these burnable additives is their significant amount (2-25 wt.%), which increases the risk of material destruction due to the large number and size of macropores and ultramacropores.

Известны требования, предъявляемые к выгорающим добавкам: они должны обладать пластифицирующим действием, а размер их частиц должен быть соизмерим с размером образующихся пор.Known requirements for burnable additives: they must have a plasticizing effect, and the size of their particles must be commensurate with the size of the resulting pores.

Задача настоящего изобретения - синтез пористого многокомпонентного композита состава: гематит α-Fe2O3, ферриты калия KFeO2 и KFe11O17, церианит CeO2, молибдат калия K2MoO4, полученного с применением диоксанлигнина березы с целью повышения эффективности использования активной поверхности в различных химических и физических процессах.The objective of the present invention is the synthesis of a porous multicomponent composite composition: hematite α-Fe 2 O 3 , potassium ferrites KFeO 2 and KFe 11 O 17 , cerianite CeO 2 , potassium molybdate K 2 MoO 4 , obtained using birch dioxane lignin in order to increase the efficiency of using active surfaces in various chemical and physical processes.

Поставленная задача решается разработкой технологии приготовления исходного состава шихты: выбора способа получения и выгорающей добавки, количества и способа ее введения, что позволяет сформировать оптимальную пористую структуру.The task is solved by developing a technology for preparing the initial composition of the charge: choosing the method of obtaining and burning additive, the amount and method of its introduction, which makes it possible to form an optimal porous structure.

Технический результат способа состоит в том, что способ с использованием выгорающей микродобавки диоксанлигнина березы позволяет получить композит с усовершенствованной активной поверхностью, обеспечивающей повышение эффективности использования в различных химических и физических процессах.The technical result of the method is that the method with the use of birch dioxane lignin burnable microadditives makes it possible to obtain a composite with an improved active surface, which improves the efficiency of use in various chemical and physical processes.

Структура и характеристики полученного композита обеспечивают эффективность применения и расширение функциональных возможностей в медицинской, химической и нефтехимической промышленности.The structure and characteristics of the obtained composite ensure the efficiency of application and the expansion of functionality in the medical, chemical and petrochemical industries.

Технический результат способа достигается тем, что способ получения пористого железо-калиевооксидного композита включает приготовление шихты, содержащей кристаллогидрат нитрат железа, кристаллогидрат нитрат церия, нитрат калия, оксид молибдена, оксид титана, карбонат кальция, тетраэтоксисилан, взятые в стехиометрическом соотношении, импрегнирование в шихту выгорающей микродобавки продуктами гидролиза солей, полученных с использованием способов соосаждения или золь-гель, формование образцов композита методом полусухого прессования, согласно изобретения, в качестве выгорающей добавки используют диоксанлигнин березы в количестве 0.125-0.250 мас. %, обжиг проводят в интервале температур 20-700°С со скоростью нагрева 10°/мин и изотермической выдержкой в течение 3 часов, при этом в получаемом композите формируется бидисперсная структура.The technical result of the method is achieved by the fact that the method of obtaining a porous iron-potassium oxide composite includes the preparation of a charge containing hydrated iron nitrate, crystalline hydrate cerium nitrate, potassium nitrate, molybdenum oxide, titanium oxide, calcium carbonate, tetraethoxysilane, taken in a stoichiometric ratio, impregnation into the mixture of burnable microadditives with products of hydrolysis of salts obtained using coprecipitation or sol-gel methods, molding of composite samples by semi-dry pressing, according to the invention, birch dioxanlignin is used as a burnable additive in an amount of 0.125-0.250 wt. %, firing is carried out in the temperature range of 20-700°C with a heating rate of 10°/min and isothermal exposure for 3 hours, while a bidisperse structure is formed in the resulting composite.

Технический результат пористого железо-калиевооксидного композита достигается тем, что композит содержит фазы оксида железа α-Fe2O3, оксида церия CeO2, молибдата калия K2MoO4, ферритов калия состава KFeO2 и KFe11O17, имеет бидисперсную структуру, полученную за счет введения в шихту диоксанлигнина березы в качестве выгорающей добавки, при этом характеризуется: общим объемом пор от 0.006 до 0.013 см3/г; диаметром мезопор в диапазоне от 16 до 40 нм; диаметром макропор от 75 до 130 нм при удельной поверхности от 2 до 5 м2/г.The technical result of the porous iron-potassium oxide composite is achieved by the fact that the composite contains phases of iron oxide α-Fe 2 O 3 , cerium oxide CeO 2 , potassium molybdate K 2 MoO 4 , potassium ferrite composition KFeO 2 and KFe 11 O 17 , has a bidisperse structure, obtained by introducing birch dioxanlignin into the mixture as a burnable additive, and is characterized by: total pore volume from 0.006 to 0.013 cm 3 /g; mesopore diameter in the range from 16 to 40 nm; macropore diameter from 75 to 130 nm with a specific surface area from 2 to 5 m 2 /g.

Изобретение поясняется фигурой 1 и таблицами. На фиг. 1 представлены электронно-микроскопические изображения образцов, полученных с использованием способа соосаждения с импрегнированием микродобавки ДЛБ в мас.%: а - 0, б - 0.125, в - 0.250; с использованием способа золь-гель с импрегнированием микродобавки ДЛБ в мас.%: г - 0, д - 0.125, е - 0.250.The invention is illustrated by figure 1 and tables. In FIG. Figure 1 shows electron microscopic images of samples obtained using the coprecipitation method with impregnation of the DLB microadditive in wt.%: a - 0, b - 0.125, c - 0.250; using the sol-gel method with impregnation of the DLB microadditive in wt %: d - 0, e - 0.125, f - 0.250.

В таблице 1 показан фазовый состав пористых композитов, полученных с использованием способов соосаждения/золь-гель с импрегнированием микродобавки ДЛБ. В таблице 2 - область когерентного рассеяния (ОКР) образовавшихся фаз пористых композитов, полученных с использованием способов соосаждения/золь-гель с импрегнированием микродобавки ДЛБ. В таблице 3 представлены характеристики образцов пористого железо-калиевооксидного композита.Table 1 shows the phase composition of porous composites obtained using codeposition/sol-gel methods with DLB microadditive impregnation. Table 2 shows the region of coherent scattering (CSR) of the formed phases of porous composites obtained using coprecipitation/sol-gel methods with impregnation of DLB microadditives. Table 3 presents the characteristics of samples of porous iron-potassium oxide composite.

Способ осуществляется следующим образом.The method is carried out as follows.

В качестве исходных прекурсоров использованы кристаллогидрат нитрат железа (III) марки «хч», кристаллогидрат нитрат церия (III) марки «хч», нитрат калия марки «хч», оксид молибдена (VI) марки «хч», оксид титана (IV) марки «осч», карбонат кальция марки «ч», тетраэтоксисилан (ТУ6-09-11 053-94) и диоксанлигнин березы (ДЛБ), взятые в стехиометрическом соотношении. ДЛБ выделен и очищен по методике [Pepper J.M., Siddiqueullah M. The effect of initial acid concentration on the lignin isolated by the acidolysis of aspen wood. Canad. // J. Chem. 1961. 39, P.1454–1461. DOI: 10.1139/v61-185.], имеет следующие характеристики: молярное соотношение С/О 2.4, удельная поверхность 30.00 м2/г, общий объем пор 0.055 см3/г, средний диаметр пор 1.8 нм, средний диаметр частиц 3 мкм и использован в качестве выгорающей добавки в количестве 0.125-0.250 мас.%.The initial precursors used were hydrated iron (III) nitrate grade “chemically pure”, crystalline hydrated cerium (III) nitrate grade “chemically pure”, potassium nitrate grade “chemically pure”, molybdenum (VI) oxide grade “chemically pure”, titanium oxide (IV) grade "high purity", calcium carbonate grade "h", tetraethoxysilane (TU6-09-11 053-94) and birch dioxane lignin (DLB), taken in a stoichiometric ratio. DLB isolated and purified according to the method [Pepper JM, Siddiqueullah M. The effect of initial acid concentration on the lignin isolated by the acidolysis of aspen wood. Canada. // J. Chem. 1961. 39, P.1454–1461. DOI: 10.1139/v61-185.], has the following characteristics: C/O molar ratio 2.4, specific surface 30.00 m 2 /g, total pore volume 0.055 cm 3 /g, average pore diameter 1.8 nm, average particle diameter 3 µm and used as a burnable additive in the amount of 0.125-0.250 wt.%.

Шихта приготовлена с импрегнированием выгорающей микродобавки ДЛБ продуктами гидролиза солей, полученных с использованием способов соосаждения или золь-гель. Образцы шихты в виде таблеток сформованы методом полусухого прессования и обожжены на воздухе в интервале температур 20-700°С, со скоростью нагрева (Vнагр) 10 /мин и изотермической выдержкой в течение 3 ч.The charge was prepared by impregnating the burnable DLB microadditive with the hydrolysis products of salts obtained using co-precipitation or sol-gel methods. Samples of the charge in the form of tablets were molded by semi-dry pressing and fired in air in the temperature range of 20-700°C, with a heating rate ( Vload ) of 10/min and isothermal exposure for 3 hours.

Фазовый состав композита определен методом рентгеновской дифракции (XRD-6000 Shimadzu, излучение Cu). Оценка размера областей когерентного рассеяния (ОКР) проведена по уширению дифракционных линий с использованием формулы Селякова-Шеррера [Егоров-Тисменко Ю.К. Кристаллография / под редакцией Урусова В.С. М.: КДУ, 2005, 592 с.]. Морфология, структура образцов композита и их элементный состав исследованы с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) на приборе VEGA3 TESСAN 3 LMH с энергодисперсионным спектрометром X-Max 50 Oxford Instruments. Измерение площади удельной поверхности (Sуд), общего объема пор (Vпор), среднего диаметра пор (dпор) ДЛБ и образцов композита проведено методом низкотемпературной физической сорбции азота на приборе Quantachrome Nova 1200a. Оценка размера частиц (dср) в порошках выполнена по результатам определения величины их удельной поверхности [Гаврилова Н.Н. Анализ пористой структуры на основе адсорбционных данных. М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2015, 132 с.].The phase composition of the composite was determined by X-ray diffraction (XRD-6000 Shimadzu, Cu radiation). Estimation of the size of coherent scattering regions (CSR) was carried out by broadening of diffraction lines using the Selyakov-Scherrer formula [Egorov-Tismenko Yu.K. Crystallography / edited by Urusov V.S. M.: KDU, 2005, 592 p.]. The morphology, structure of the composite samples, and their elemental composition were studied using scanning electron microscopy (SEM) on a VEGA3 TESCAN 3 LMH instrument with an Oxford Instruments X-Max 50 energy-dispersive spectrometer. Measurement of the specific surface area (S sp ), total pore volume (V pore ), average pore diameter (d pore ) of DLB and composite samples was carried out by low-temperature nitrogen physical sorption on a Quantachrome Nova 1200a instrument. Estimation of the particle size (d cf ) in the powders is based on the results of determining the value of their specific surface area [Gavrilova N.N. Analysis of the porous structure based on adsorption data. Moscow: RKhTU im. D. I. Mendeleev, 2015, 132 p.].

В качестве параметров, характеризующих полученный композит, рассматриваются его фазовый состав (таблица 1), ОКР частиц образовавшихся фаз пористого композита (таблица 2), микроструктура (фиг. 1), характеристики (таблица 3).As parameters characterizing the resulting composite, its phase composition (Table 1), CSR of the particles of the resulting porous composite phases (Table 2), microstructure (Fig. 1), and characteristics (Table 3) are considered.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.The invention is illustrated by the following examples.

Пример 1Example 1

Растворили рассчитанные навески солей в пересчете на оксиды металлов. Гидролиз солей, полученных с использованием способа соосаждения, проводили водным раствором аммиака концентрации 0.1224÷2.0601 моль/л при 20°C и интенсивном перемешивании до рН=4. Добавили оксиды молибдена (VI) и титана (IV). Полученную шихту перемешивали в интервале температур 50÷80°С и сушили на воздухе по технологическому режиму в интервале температур 50÷300°С. Образцы формовали в виде таблеток методом полусухого прессования с использованием технической связки ПВС (1.5%). Обжиг провели при температуре 700°С с Vнагр 10 С/мин с изотермической выдержкой 3 ч. Характеристики композита № 1 указаны в таблицах 1-3, фиг. 1 (а).Dissolved the calculated sample of salts in terms of metal oxides. The hydrolysis of salts obtained using the coprecipitation method was carried out with an aqueous solution of ammonia with a concentration of 0.1224÷2.0601 mol/l at 20°C and vigorous stirring until pH=4. Added oxides of molybdenum (VI) and titanium (IV). The mixture obtained was mixed in the temperature range 50÷80°C and dried in air according to the technological regime in the temperature range 50÷300°C. The samples were molded into tablets by semi-dry pressing using a technical PVA binder (1.5%). The firing was carried out at a temperature of 700°C with V load 10 C/min with an isothermal exposure of 3 hours. The characteristics of composite No. 1 are shown in tables 1-3, fig. 1(a).

Пример 2Example 2

Приготовление шихты, как указано в примере 1. Изменено стехиометрическое соотношение смеси [Fe2O3:K2O:MоO3:CeO2:CaO:TiO2:MgO:SiO2] и ДЛБ в пересчете на (100-х)[56.71:20.88:11.55:6.38:3.68:0.58:0.11:0.11]:х, где х=0.125. Импрегнирование диоксанлигнина березы продуктами гидролиза солей, полученных с использованием способа соосаждения, проводилось при постоянном перемешивании. Характеристики композита № 2 указаны в таблицах 1-3, фиг. 1 (б).Preparation of the mixture, as indicated in example 1. Changed the stoichiometric ratio of the mixture [Fe 2 O 3 :K 2 O:MoO 3 :CeO 2 :CaO:TiO 2 :MgO:SiO 2 ] and DLB in terms of (100-x)[ 56.71:20.88:11.55:6.38:3.68:0.58:0.11:0.11]:x, where x=0.125. The impregnation of birch dioxanlignin with the products of hydrolysis of salts obtained using the coprecipitation method was carried out with constant stirring. The characteristics of composite No. 2 are indicated in tables 1-3, Figs. 1(b).

Пример 3Example 3

Приготовление шихты, как указано в примере 1. Изменено стехиометрическое соотношение смеси [Fe2O3:K2O:MoO3:CeO2:CaO:TiO2:MgO:SiO2] и ДЛБ в пересчете на (100-х)[56.71:20.88:11.55:6.38:3.68:0.58:0.11:0.11]:х, где х=0.250. Импрегнирование диоксанлигнина березы продуктами гидролиза солей, полученных с использованием способа соосаждения, проводилось при постоянном перемешивании. Характеристики композита № 3 указаны в таблицах 1-3, фиг.1 (в).Preparation of the mixture, as indicated in example 1. Changed the stoichiometric ratio of the mixture [Fe 2 O 3 :K 2 O:MoO 3 :CeO 2 :CaO:TiO 2 :MgO:SiO 2 ] and DLB in terms of (100-x)[ 56.71:20.88:11.55:6.38:3.68:0.58:0.11:0.11]:x, where x=0.250. The impregnation of birch dioxanlignin with the products of hydrolysis of salts obtained using the coprecipitation method was carried out with constant stirring. The characteristics of composite No. 3 are shown in tables 1-3, figure 1 (c).

Пример 4Example 4

Исходный 0.5 М раствор нитрата железа отфильтровали. Золь оксида железа (золь I), частицы которого сформировали матрицу композита, синтезирован контролируемым гидролизом кристаллогидрата нитрата железа водным раствором аммиака концентрации 0.1224÷2.0601 моль/л при 20°C и интенсивном перемешивании до рН=4. Исходные 0.5 М растворы нитрата церия, нитрата калия и нитрата магния отфильтровали. Золь II получен гидролизом смешанного раствора нитратов церия, калия и магния, взятых в количествах, соответствующих требуемому составу, водным раствором аммиака с интервалом концентраций 0.1224÷2.0601 моль/л при 20°C и интенсивном перемешивании до рН=9.46. Добавили рассчитанное количество золя диоксида кремния, синтезированного гидролизом спиртового раствора тетраэтоксисилана. Смешение золей I и II и оксидов молибдена (VI), титана (IV) и кальция провели в стехиометрическом соотношении в пересчете на [Fe2O3:K2O:MoO3:CeO2:CaO:TiO2:MgO:SiO2]=[56.71:20.88:11.55:6.38:3.68:0.58:0.11:0.11]. Полученную смесь перемешивали в интервале температур 50÷80°С и сушили на воздухе в интервале температур 50÷300°С. Образцы формовали в виде таблеток методом полусухого прессования с использованием технической связки ПВС (1.5%). Обжиг провели при температуре 700oC с Vнагр 10oC/мин с изотермической выдержкой 3 ч. Характеристики композита № 4 указаны в таблицах 1-3, фиг.1 (г).The initial 0.5 M solution of iron nitrate was filtered off. Iron oxide sol (sol I), the particles of which formed the matrix of the composite, was synthesized by controlled hydrolysis of iron nitrate crystalline hydrate with an aqueous solution of ammonia with a concentration of 0.1224÷2.0601 mol/l at 20°C and vigorous stirring to pH=4. The initial 0.5 M solutions of cerium nitrate, potassium nitrate, and magnesium nitrate were filtered off. Sol II was obtained by hydrolysis of a mixed solution of cerium, potassium and magnesium nitrates, taken in amounts corresponding to the required composition, with an aqueous ammonia solution with a concentration range of 0.1224÷2.0601 mol/l at 20°C and vigorous stirring until pH=9.46. The calculated amount of silica sol synthesized by hydrolysis of an alcoholic solution of tetraethoxysilane was added. The mixing of sols I and II and oxides of molybdenum (VI), titanium (IV) and calcium was carried out in a stoichiometric ratio in terms of [Fe 2 O 3 :K 2 O:MoO 3 :CeO 2 :CaO:TiO 2 :MgO:SiO 2 ]=[56.71:20.88:11.55:6.38:3.68:0.58:0.11:0.11]. The resulting mixture was stirred in the temperature range 50÷80°C and dried in air in the temperature range 50÷300°C. The samples were molded into tablets by semi-dry pressing using a technical PVA binder (1.5%). The firing was carried out at a temperature of 700 o C with V load 10 o C/min with isothermal exposure 3 hours Characteristics of composite No. 4 are shown in tables 1-3, figure 1 (d).

Пример 5Example 5

Приготовление смеси золей оксидов и оксидов металлов, как указано в примере 4. Изменено стехиометрическое соотношение смеси [Fe2O3:K2O:MoO3:CeO2:CaO:TiO2:MgO:SiO2] и ДЛБ в пересчете на (100-х)[56.71:20.88:11.55:6.38:3.68:0.58:0.11:0.11]:х, где х=0.125. Импрегнирование диоксанлигнина березы продуктами гидролиза солей, полученных с использованием способа золь-гель, проводилось при постоянном перемешивании. Характеристики композита № 5 указаны в таблицах 1-3, фиг.1 (д).Preparation of a mixture of sols of oxides and metal oxides, as indicated in example 4. Changed the stoichiometric ratio of the mixture [Fe 2 O 3 :K 2 O:MoO 3 :CeO 2 :CaO:TiO 2 :MgO:SiO 2 ] and DLB in terms of ( 100-x)[56.71:20.88:11.55:6.38:3.68:0.58:0.11:0.11]:x, where x=0.125. Birch dioxanelignin was impregnated with hydrolysis products of salts obtained using the sol-gel method, was carried out with constant stirring. The characteristics of composite No. 5 are shown in tables 1-3, figure 1 (d).

Пример 6Example 6

Приготовление смеси золей оксидов металлов и оксидов металлов, как указано в примере 4. Изменено стехиометрическое соотношение смеси [Fe2O3:K2O:MoO3:CeO2:CaO:TiO2:MgO:SiO2] и ДЛБ в пересчете на (100-х)[56.71:20.88:11.55:6.38:3.68:0.58:0.11:0.11]:х, где х=0.250. Импрегнирование диоксанлигнина березы продуктами гидролиза солей, полученных с использованием способа золь-гель, проводилось при постоянном перемешивании. Характеристики композита № 6 указаны в таблицах 1-3 и фиг.1 (е).Preparation of a mixture of sols of metal oxides and metal oxides, as indicated in example 4. Changed the stoichiometric ratio of the mixture [Fe 2 O 3 :K 2 O:MoO 3 :CeO 2 :CaO:TiO 2 :MgO:SiO 2 ] and DLB in terms of (100x)[56.71:20.88:11.55:6.38:3.68:0.58:0.11:0.11]:x, where x=0.250. Birch dioxanelignin was impregnated with hydrolysis products of salts obtained using the sol-gel method, was carried out with constant stirring. The characteristics of Composite No. 6 are shown in Tables 1-3 and Figure 1(e).

Таблица 1Table 1

№образца композитаComposite sample no. Способ полученияHow to obtain Количество выгорающей добавкиThe amount of burnable additive Фазовый состав, об.%Phase composition, vol.% Fe2O3 Fe 2 O 3 CeO2 CeO 2 K2MoO4 K 2 MoO 4 KFeO2 KFeO 2 KFe11O17 KFe 11 O 17 1one соосаждение coprecipitation 00 75.675.6 11.411.4 13.013.0 -- -- 22 соосаждение coprecipitation 0.1250.125 51.851.8 11.211.2 32.032.0 1.81.8 3.23.2 33 соосаждение coprecipitation 0.2500.250 40.240.2 7.27.2 43.143.1 9.59.5 -- 44 золь-гельsol-gel 00 68.068.0 18.018.0 14.014.0 -- -- 55 золь-гельsol-gel 0.1250.125 40.740.7 15.915.9 43.443.4 -- -- 66 золь-гельsol-gel 0.2500.250 47.147.1 18.718.7 24.424.4 9.89.8 --

Таблица 2table 2

№образца композитаComposite sample no. Способ полученияHow to obtain количество выгорающей добавкиamount of burning additive ОКР, нмOKR, nm Fe2O3 Fe 2 O 3 CeO2 CeO 2 K2MoO4 K 2 MoO 4 KFeO2 KFeO 2 KFe11O17 KFe 11 O 17 1one соосаждение coprecipitation 00 2727 2727 4949 -- -- 22 соосаждение coprecipitation 0.1250.125 3333 16sixteen 3838 150150 160160 33 соосаждение coprecipitation 0.2500.250 2323 1515 1414 114114 -- 44 золь-гельsol-gel 00 2828 2525 7373 -- -- 55 золь-гельsol-gel 0.1250.125 3232 2626 9494 -- -- 66 золь-гельsol-gel 0.2500.250 30thirty 3636 8484 200200 --

Таблица 3Table 3

№ образца композитаComposite Sample No. Способ полученияHow to obtain Количество, ДЛБ, мас.%Quantity, DLB, wt.% Удельная поверхность, Sуд., м2Specific surface, S beats , m 2 /g Общий объем пор, Vпор, см3Total pore volume, V pore , cm 3 /g Средний диаметр мезопор, dпор, нм Average mesopore diameter, d pores , nm Средний диаметр макропор, dпор, нм Average diameter of macropores, d pores , nm Средний диаметр частиц, dср, мкмAverage particle diameter, d cf , µm 1one соосаждение coprecipitation 00 5.29±0.045.29±0.04 0.008±0.0010.008±0.001 38±138±1 52±152±1 1.2±0.11.2±0.1 22 соосаждение coprecipitation 0.1250.125 1.89±0.041.89±0.04 0.007±0.0010.007±0.001 40±140±1 100±1100±1 1.4±0.11.4±0.1 33 соосаждение coprecipitation 0.2500.250 2.86±0.042.86±0.04 0.006±0.0010.006±0.001 16±116±1 130±1130±1 2.2±0.12.2±0.1 44 золь-гельsol-gel 00 7.86±0.047.86±0.04 0.011±0.0010.011±0.001 32±132±1 58±158±1 0.8±0.10.8±0.1 55 золь-гельsol-gel 0.1250.125 5.22±0.045.22±0.04 0.013±0.0010.013±0.001 36±136±1 75±175±1 1.2±0.11.2±0.1 66 золь-гельsol-gel 0.2500.250 4.24±0.044.24±0.04 0.013±0.0010.013±0.001 16±116±1 80±180±1 1.8±0.11.8±0.1

В микроструктуре образцов композитов, синтезированных с использованием способов соосаждения (рис. а, б, в) и золь-гель (рис. г, д, е), наблюдается высокая однородность распределения всех компонентов материала. С введением микродобавки ДЛБ в состав шихты получили структуру мелкозернистой керамики с сетчато-ячеистым каркасом, аналогичной структуре пенокерамики [Gibson L.J., Ashby M F. Cellular solids: structure and properties. Cambridge University Press. 1997. 510 p.]. Результаты рентгенофазового анализа и сканирующей электронной микроскопии подтвердили результаты измерения текстурных характеристик и расчета среднего размера частиц образцов, полученных с применением ДЛБ. В образцах обнаружено наличие мезопор диаметром до 40 нм и макропор диаметром до 130 нм, что соответствует бидисперсной структуре композита.In the microstructure of composite samples synthesized using the coprecipitation (Figs. a , b, c ) and sol-gel (Figs. d , e, f ) methods, a high uniformity of distribution of all material components is observed. With the introduction of DLB microadditives into the composition of the mixture, a structure of fine-grained ceramics with a mesh-cellular framework was obtained, similar to the structure of ceramic foam [Gibson LJ, Ashby M F. Cellular solids: structure and properties. Cambridge University Press. 1997. 510 p.]. The results of X-ray phase analysis and scanning electron microscopy confirmed the results of measuring the texture characteristics and calculating the average particle size of the samples obtained using DLB. The samples were found to contain mesopores up to 40 nm in diameter and macropores up to 130 nm in diameter, which corresponds to the bidisperse structure of the composite.

Таким образом, полученный композит имеет усовершенствованную структуру за счет использования внутренней поверхности и улучшенные эксплуатационные характеристики (сорбционные, каталитические, фильтрующие, прочностные, теплоизоляционные и звукопоглощающие), и обеспечивается возможность применения композита в качестве сорбентов, носителей катализаторов, фильтрующих и теплозащитных материалов, пламегасителей и звукопоглотителей.Thus, the resulting composite has an improved structure due to the use of the inner surface and improved performance characteristics (sorption, catalytic, filtering, strength, heat-insulating and sound-absorbing), and it is possible to use the composite as sorbents, catalyst carriers, filtering and heat-shielding materials, flame arresters and sound absorbers.

Claims (2)

1. Способ получения пористого железо-калиевооксидного композита, включающий приготовление шихты, содержащей кристаллогидрат нитрат железа, кристаллогидрат нитрат церия, нитрат калия, оксид молибдена, оксид титана, карбонат кальция, тетраэтоксисилан, взятые в стехиометрическом соотношении, импрегнирование в шихту выгорающей микродобавки продуктами гидролиза солей, полученных с использованием способов соосаждения или золь-гель, формование образцов композита методом полусухого прессования, отличающийся тем, что в качестве выгорающей микродобавки используют диоксанлигнин березы в количестве 0,125-0,250 мас.%, обжиг проводят в интервале температур 20-700°С со скоростью нагрева 10°/мин и изотермической выдержкой в течение 3 часов, при этом в получаемом композите формируется бидисперсная структура.1. A method for producing a porous iron-potassium oxide composite, including the preparation of a charge containing hydrated iron nitrate, crystalline hydrate cerium nitrate, potassium nitrate, molybdenum oxide, titanium oxide, calcium carbonate, tetraethoxysilane, taken in a stoichiometric ratio, impregnation of a burnable microadditive into the charge with salt hydrolysis products obtained using co-precipitation or sol-gel methods, molding of composite samples by semi-dry pressing, characterized in that birch dioxane lignin is used as a burnable microadditive in an amount of 0.125-0.250 wt.%, firing is carried out in the temperature range of 20-700 ° C at a speed heating 10°/min and isothermal exposure for 3 hours, while in the resulting composite formed bidisperse structure. 2. Пористый железо-калиевооксидный композит, полученный способом по п.1, содержащий фазы оксида железа α-Fe2O3, оксида церия CeO2, молибдата калия K2MoO4, ферритов калия состава KFeO2 и KFe11O17, имеющий бидисперсную структуру, полученную за счет введения в шихту диоксанлигнина березы в качестве выгорающей микродобавки, который при этом характеризуется общим объемом пор от 0,006 до 0,013 см3/г; диаметром мезопор от 16 до 40 нм, диаметром макропор от 75 до 130 нм при удельной поверхности от 2 до 5 м2/г. 2. Porous iron-potassium oxide composite obtained by the method according to claim 1, containing phases of iron oxide α-Fe2O3, cerium oxide CeO2, potassium molybdate K2MoO4, potassium ferrite composition KFeO2 and KFeelevenO17, having a bidisperse structure obtained by introducing birch dioxane lignin into the charge as a burnable microadditive, which is characterized by a total pore volume of 0.006 to 0.013 cm 33/G; mesopore diameter from 16 to 40 nm, macropore diameter from 75 to 130 nm with specific surface area from 2 to 5 m2/G.
RU2021118238A 2021-06-23 2021-06-23 Porous iron-potassium oxide composite with a bidisperse structure and a method for its production RU2763695C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021118238A RU2763695C1 (en) 2021-06-23 2021-06-23 Porous iron-potassium oxide composite with a bidisperse structure and a method for its production

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021118238A RU2763695C1 (en) 2021-06-23 2021-06-23 Porous iron-potassium oxide composite with a bidisperse structure and a method for its production

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2763695C1 true RU2763695C1 (en) 2021-12-30

Family

ID=80040039

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021118238A RU2763695C1 (en) 2021-06-23 2021-06-23 Porous iron-potassium oxide composite with a bidisperse structure and a method for its production

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2763695C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2812432C1 (en) * 2023-07-11 2024-01-30 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" (ФГАОУ ВО КФУ) Method for producing porous stainless steel support for solid oxide fuel cells and porous support made by said method

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2232141C1 (en) * 2003-02-25 2004-07-10 Максимов Борис Александрович Method of preparing light filler
GB2426756A (en) * 2005-06-03 2006-12-06 Huntercombe Consultancy Ltd Porous body containing within its pores a chemically bonded phosphate ceramic
WO2018077764A1 (en) * 2016-10-28 2018-05-03 IFP Energies Nouvelles Method for preparing a composite porous material

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2232141C1 (en) * 2003-02-25 2004-07-10 Максимов Борис Александрович Method of preparing light filler
GB2426756A (en) * 2005-06-03 2006-12-06 Huntercombe Consultancy Ltd Porous body containing within its pores a chemically bonded phosphate ceramic
WO2018077764A1 (en) * 2016-10-28 2018-05-03 IFP Energies Nouvelles Method for preparing a composite porous material

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
БУГАЕВА А.Ю. и др. Влияние порошковой целлюлозы и способа получения шихты на фазовый состав и характеристики железо-калиевооксидного материала. Журнал прикладной химии, 2019. Т. 92, вып. 10, стр. 1271-1282. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2812432C1 (en) * 2023-07-11 2024-01-30 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" (ФГАОУ ВО КФУ) Method for producing porous stainless steel support for solid oxide fuel cells and porous support made by said method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6565825B2 (en) Porous alumina fabrication procedures
US4367166A (en) Steam reforming catalyst and a method of preparing the same
US5610109A (en) Porous ceramic material
US3108888A (en) Colloidal, anisodiametric transition aluminas and processes for making them
RU2509725C2 (en) Composition based on cerium oxide and zirconium oxide having specific porosity, method of production and use in catalysis
KR101223370B1 (en) Method for synthesising a supported catalyst with a view to the production of carbon nanotubes
Zhao et al. Kinetic analysis for cyclic CO 2 capture using lithium orthosilicate sorbents derived from different silicon precursors
JP2009173535A (en) Molded porous article and method for production thereof, and catalyst carrier and catalyst
US4598062A (en) Iron oxide-chromium oxide catalyst and process for high temperature water-gas shift reaction
US4224302A (en) Process for producing an alumina catalyst carrier
US5983488A (en) Sol-casting of molten carbonate fuel cell matrices
Ho et al. Meso-and macro-porous Pd/Ce x Zr 1− x O 2 as novel oxidation catalysts
Duchet et al. Preparation and stabilization of high specific area zirconia carriers
JP3417490B2 (en) Calcium oxide porous granular composite and method for producing the same
RU2763695C1 (en) Porous iron-potassium oxide composite with a bidisperse structure and a method for its production
Khalil Synthesis of short fibrous boehmite suitable for thermally stabilized transition aluminas formation
US5100841A (en) Porous glass and process for its production
Kumar et al. Pore-structure stabilization by controlling particle coordination
JPH0435220B2 (en)
CN110128163A (en) A method of porous cordierite ceramics material is prepared using waste catalyst
Ermakova et al. Synthesis of high surface area silica gels using porous carbon matrices
RU2017523C1 (en) Method for manufacture of carrier for catalyst serving for hydrocarbon steam conversion
RU2549878C1 (en) Catalyst of gaseous hydrocarbon raw material reforming (versions)
KR102436299B1 (en) Composite comprising nickel supported on porous alumina carrier and manufacturing method thereof
Sutormina et al. Effect of various admixtures on the properties of Mn-substituted cordierite