RU2790032C1 - Способ получения сорбента на основе наноразмерного диоксида титана - Google Patents
Способ получения сорбента на основе наноразмерного диоксида титана Download PDFInfo
- Publication number
- RU2790032C1 RU2790032C1 RU2022126397A RU2022126397A RU2790032C1 RU 2790032 C1 RU2790032 C1 RU 2790032C1 RU 2022126397 A RU2022126397 A RU 2022126397A RU 2022126397 A RU2022126397 A RU 2022126397A RU 2790032 C1 RU2790032 C1 RU 2790032C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sol
- temperature
- titanium dioxide
- minutes
- sorbent
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Изобретение относится к химической промышленности, в частности к технологии получения сорбента на основе наночастиц диоксида титана, и может применяться для сорбционной очистки сточных вод, промышленных отходов и извлечения редких металлов. Представлен способ получения сорбента на основе наноразмерного диоксида титана путём приготовления раствора из титанорганических соединений в водно-спиртовом растворителе через последовательные стадии образования золя, а затем геля и отделения полученного продукта реакции, характеризующийся тем, что приготовление золя проводят из тетрабутоксида титана, этилового спирта и дистиллированной воды в объёмном соотношении 1:1:4 при pH исходного раствора от 4 до 8, дальнейшее старение золя проводят при температуре 25-60°С в течение не более 30 минут, последующую сушку при температуре 80°С в течение 45 минут и отжиг полученных аморфных наночастиц диоксида титана на воздухе при температуре 200-1000°С в течение одного часа. Изобретение обеспечивает золь-гель способ получения сорбента на основе наноразмерного TiO2 и условия эффективной сорбции. 2 ил., 1 табл., 3 пр.
Description
Изобретение относится к химической промышленности, в частности технологии получения сорбента на основе наночастиц диоксида титана (TiO2), и может применяться для сорбционной очистки сточных вод, промышленных отходов и извлечения редких металлов.
Извлечение редкоземельных элементов из технологических растворов является неотъемлемой задачей в промышленности. Для решения данной задачи следует улучшить качество уже имеющихся или разработать новые, более эффективные сорбенты. Среди неорганических сорбентов перспективным является диоксид титана, поскольку является химически стабильным, нетоксичным, доступным и недорогим. Сорбционные свойства TiO2 зависят от способа и параметров его синтеза и условий проведения сорбции.
Известен метод получения сорбента на основе наночастиц аморфного диоксида титана (CZ 2016700(A3), МПК B01J 20/06, B82Y 99/00, C01G 23/04, C09C 1/36, G21F9/12, опубл. 16.05.2018 г.), воздействием концентрированного водного раствора щелочного агента в присутствии льда на сульфат титанила с одновременным перемешиванием смеси при температуре 0°С. Данный сорбент характеризуются высокой площадью поверхности более 300 м2/г.
Недостатком данного способа является необходимость поддержания низкой температуры при синтезе и отсутствие возможности использования сорбента при высоких температурах ввиду его неизбежной кристаллизации из аморфной фазы.
Известен способ получения гранулированного неорганического сорбента на основе диоксида титана, применяемого для переработки жидких и газовых технологических потоков и при очистке отходящих газов и сбросных вод предприятий от радиоактивных и токсичных веществ (RU № 2032460, МПК B01J 20/06, опубл. 10.04.1995 г.), включающий электрохимический синтез золя гидратированных оксидов металлов, диспергирование золя в гелирующей среде, отмывку, сушку и термообработку гранул при температуре не выше 700°С. Сорбент имеет химический состав MexTi1-xO2·n H2O, где Me - Zr и/или Sn, x=0,01 - 0,40, n=0,02 - 2.
Недостатком данного способа является сложность аппаратурно-технологической схемы и трудоемкость процесса приготовления сорбента.
Также известен способ получения гранулированного неорганического сорбента, состоящего из твердого раствора оксидов титана и циркония, предназначенного для работы в высокотемпературных и агрессивных средах (RU № 2756163, МПК B01J 20/06, B01J 20/28, B01J 20/282, B01J 20/30, опубл. 28.09.2021 г.). Способ получения заключается в смешивании исходных компонентов, диспергировании полученной смеси в гелирующую среду, промывке образовавшихся частиц, сушке и прокаливании.
Недостатком данного способа является высокая продолжительность синтеза: выдержка раствора в течение 1-7 дней с последующей сушкой в течение 1-24 часов. Другим недостатком является низкая удельная площадь поверхности сорбента в пределах от 83 до 132 м2/г.
Наиболее близким к заявляемому является способ получения мезопористого диоксида титана со средним диаметром пор 2-16 нм и удельной поверхностью не менее 70 м2/г (RU № 2291839, МПК C01G 23/053, B01J 21/06, B01J 35/10, опубл. 20.01.2007 г.) - прототип. Способ заключается во введении прекурсора в виде тетраалкоксида титана и темплата органической природы в водно-органический растворитель. Смесь реагентов перемешивают до образования золя и выдерживают до окончательного формирования пространственной структуры. Полученный продукт реакции отделяют и обрабатывают до удаления темплата путем кальцинирования или экстракции спиртом после предварительной гидротермальной обработки. В предпочтительном варианте изобретения в водно-спиртовый растворитель дополнительно вводят соль лантана.
Недостатком способа является получение материала с более низкой удельной площадью поверхности - 70 м2/г, что снижает его сорбционную емкость, и отсутствие возможности использования сорбента при высоких температурах, ввиду его неизбежной кристаллизации из аморфной фазы, а также многоступенчатость технологической схемы и большие временные затраты.
Техническим результатом заявляемого изобретения является разработка золь-гель способа получения сорбента на основе наноразмерного TiO2 и условий эффективной сорбции.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения сорбента на основе наноразмерного диоксида титана путем приготовления раствора из титанорганических соединений в водно-спиртовом растворителе через последовательные стадии образования золя, а затем геля и отделение полученного продукта реакции, где приготовление золя проводят из тетрабутоксида титана, этилового спирта и дистиллированной воды в соотношении 1:1:4, при pH исходного раствора от 4 до 8, дальнейшее старение золя проводят при температуре 25-60°С в течение не более 30 минут, последующую сушку при температуре 80°С в течение 45 минут и отжиг полученных аморфных наночастиц диоксида титана на воздухе при температуре 200-1000°С в течение одного часа.
Приготовление золя из тетрабутоксида титана, этилового спирта и дистиллированной воды в соотношении 1:1:4, при pH исходного раствора от 4 до 8 позволяет получить наноразмерную структуру диоксида титана с высокой удельной площадью поверхности - до 320 м2/г, что повышает сорбционную емкость материала.
Дальнейшее старение золя при температуре 25-60°С в течение не более 30 минут способствует образованию равномерного золя в короткие сроки.
Последующая сушка при температуре 80°С в течение 45 минут приводит к образованию наноразмерного порошка TiO2 в аморфной фазе.
Отжиг полученных аморфных наночастиц диоксида титана на воздухе при температуре 200-1000°С в течение одного часа способствует их кристаллизации до фаз анатаза или рутила.
Способ осуществляют следующим образом.
В качестве прекурсора используют титансодержащее соединение (тетрабутоксититан Ti(C4H9O)4), которое смешивают до однородного состояния в перемешивающем устройстве ПЭ-6300 М в течение 10 минут с этиловым спиртом C2H5OH (95%), после чего добавляют дистиллированную воду и перемешивают в устройстве еще 10 минут. Объемное соотношение исходных компонентов варьируют, придерживаясь пропорции 1:1:4. Кислотно-щелочное состояние раствора варьируют путем добавления соляной кислоты HCl (ОСЧ 20-4) для получения кислой среды или гидроксида аммония NH4OH для получения щелочной среды. Содержание спирта и воды в исходном растворе, а также его pH влияет на размер наночастиц и их удельную площадь поверхности. Данные характеристики являются важными для получения эффективного сорбента. Полученный золь подвергают старению в течение одного часа для образования геля при перемешивании с частотой 26 об/мин при поддержании температуры на уровне 50°С. Температура выше комнатной позволяет ускорить процесс образования геля, сократив продолжительность синтеза сорбента. Полученный гель преобразуют в порошок в сушильном шкафу при температуре 80°С не более 45 минут, до его полного осушения. Полученные наночастицы TiO2 отжигают в муфельной печи в течение одного часа при температуре 350°С для кристаллизации аморфной фазы до анатаза и увеличения эффективности сорбента. Данной температуры и продолжительности отжига достаточно для формирования фазы анатаза. Таким образом, отсутствует необходимость в увеличении времени отжига.
Сорбент на основе наноразмерного диоксида титана, полученный золь-гель методом, характеризуется тем, что он относится к химическому соединению TiO2 в фазе анатаз, что позволяет использовать его в качестве эффективного сорбента ионов редких металлов.
Рис. 1 - изображение сорбента в виде порошка на основе наночастиц диоксида титана TiO2, полученного в нейтральной среде золя, состоящего из тетрабутоксититана, этилового спирта и дистиллированной воды в пропорции 1:1:4 после отжига на воздухе при 400°С;
Рис. 2 - рентгенограмма порошка наночастиц TiO2 (фаза анатаз) после отжига при температуре 350°C;
Пример 1. В стакане смешивают тетрабутоксититан с этиловым спиртом до однородного состояния в перемешивающем устройстве в течение 10 минут в соотношении 1:1, после чего добавляют дистиллированную воду в соотношении 1:2 и перемешивают в устройстве еще 10 минут. Кислотно-щелочное состояние раствора варьируют путем добавления HCl (ОСЧ 20-4) для получения кислой среды или NH4OH для получения щелочной среды. Полученный золь подвергают старению в течение одного часа для образования геля при перемешивании с частотой 26 об/мин при поддержании температуры на уровне 50°С. Полученный гель преобразуют в порошок в сушильном шкафу при температуре 80°С в течение 45 минут. Таким образом получают наночастицы TiO2 в аморфной фазе с развитой поверхностью, что подтверждается значением удельной площади поверхности БЭТ до 320 м2/г и приводит к высокой сорбционной способности.
Пример 2 проведен аналогично примеру 1 с дополнительной характеристикой способа. Полученные наночастицы TiO2 отжигают в муфельной печи в течение одного часа при температуре 350°С для кристаллизации аморфной фазы до анатаза и увеличения эффективности сорбента. Таким образом получают наночастицы TiO2 размером около 50 нм (Рис. 1) в фазе анатаз (Рис. 2). Сорбцию проводили в следующих условиях: рН сорбции равен 3, массовое соотношение сорбент/раствор 1:750, обработка ультразвуком один час, без освещения. Максимальная сорбционная емкость продукта, полученного из золя с рН равным 6, по отношению к ионам галлия (III), определенная по изотерме сорбции, достигает 28 мг/г (см. Таблицу 1).
Таблица 1. Результаты определения максимальной сорбционной емкости сорбента на основе диоксида титана | ||
рН приготовления золя | Условия сорбции | Максимальная сорбционная емкость (из изотермы сорбции), мг/г |
4 | Без освещения, 1 час обработки ультразвуком | 25,8 |
6 | 28,2 | |
8 | 24,1 | |
6 | 30 мин ультразвука/ 30 мин освещение ультрафиолетом при перемешивании | 29,9 |
6 | 30 мин ультразвука/ 30 мин освещение светом видимого диапазона при перемешивании | 44,4 |
Пример 3 выполнен аналогично примеру 2 для сорбента, полученного при рН равному 6, со следующей модификацией условий сорбции. Сорбция ионов галлия (III) в течение 30 минут проводилась под действием ультразвука, в течение последующих 30 минут - под действием освещения при перемешивании. Максимальная сорбционная емкость - 44,4 мг/г - получена при сорбции с освещением источника света видимого диапазона - лампы ДНАЗ-150 (см. таблицу 1).
Таким образом, достигается заявленный технический результат - разработка золь-гель способа получения сорбента на основе наноразмерного TiO2 и условий эффективной сорбции ионов редких металлов. Дополнительное преимущество заключается в снижении продолжительности изготовления и себестоимости сорбента благодаря использованию минимального количества реагентов с подобранной концентрацией и режимами старения золя и сушки геля.
Claims (1)
- Способ получения сорбента на основе наноразмерного диоксида титана путём приготовления раствора из титанорганических соединений в водно-спиртовом растворителе через последовательные стадии образования золя, а затем геля и отделения полученного продукта реакции, отличающийся тем, что приготовление золя проводят из тетрабутоксида титана, этилового спирта и дистиллированной воды в объёмном соотношении 1:1:4 при pH исходного раствора от 4 до 8, дальнейшее старение золя проводят при температуре 25-60°С в течение не более 30 минут, последующую сушку при температуре 80°С в течение 45 минут и отжиг полученных аморфных наночастиц диоксида титана на воздухе при температуре 200-1000°С в течение одного часа.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2790032C1 true RU2790032C1 (ru) | 2023-02-14 |
Family
ID=
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2291839C2 (ru) * | 2004-11-10 | 2007-01-20 | Институт Физической Химии Им. Л.В. Писаржевского Национальной Академии Наук Украины | Мезопористый диоксид титана и способ и полупродукт для его получения |
US7473369B2 (en) * | 2002-02-14 | 2009-01-06 | The Trustees Of The Stevens Institute Of Technology | Methods of preparing a surface-activated titanium oxide product and of using same in water treatment processes |
RU2756163C1 (ru) * | 2020-10-28 | 2021-09-28 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") | Способ получения гранулированного неорганического сорбента |
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7473369B2 (en) * | 2002-02-14 | 2009-01-06 | The Trustees Of The Stevens Institute Of Technology | Methods of preparing a surface-activated titanium oxide product and of using same in water treatment processes |
RU2291839C2 (ru) * | 2004-11-10 | 2007-01-20 | Институт Физической Химии Им. Л.В. Писаржевского Национальной Академии Наук Украины | Мезопористый диоксид титана и способ и полупродукт для его получения |
RU2756163C1 (ru) * | 2020-10-28 | 2021-09-28 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") | Способ получения гранулированного неорганического сорбента |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
ДОРОШЕВА И. Б. и др. Синтез Нестехиометрического диоксида титана в потоке водорода. Физика. Технологии. Инновации ФТИ-2019, 2019, С.373-374. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2306177C2 (ru) | Способ получения микропористых материалов с покрытием из оксида редкоземельного металла | |
Al-Salim et al. | Characterisation and activity of sol–gel-prepared TiO2 photocatalysts modified with Ca, Sr or Ba ion additives | |
TWI490037B (zh) | 光觸媒及其製造方法、與使用其之光觸媒塗佈劑、光觸媒分散體、光觸媒體 | |
AU2019421318A1 (en) | Method for preparing ozone catalyst by means of stepped gradient temperature elevation calcination method and use thereof | |
CN109499619B (zh) | TiO2/MIL-101光催化剂及其制备方法 | |
RU2522370C2 (ru) | Фотокаталитические композиционные материалы, содержащие титан и известняк | |
CN113318725B (zh) | 一种碱土金属氧化物亚纳米团簇的制备方法及应用 | |
CN108502897B (zh) | 一种Zr掺杂SBA-15介孔分子筛材料的光化学绿色合成方法 | |
CN1686608A (zh) | 高活性球形纳晶二氧化钛粉末光催化剂的水热晶化制备法 | |
JP4867065B2 (ja) | 新規bea型メタロアルミノシリケートの製造方法 | |
CN105399138A (zh) | 一种钙钛矿SrTiO3四方纳米颗粒的制备方法及产物 | |
RU2790032C1 (ru) | Способ получения сорбента на основе наноразмерного диоксида титана | |
JP2007268523A (ja) | 光触媒分散体 | |
JP4424905B2 (ja) | アナターゼ型チタニア−シリカ複合体、その製造方法及び光触媒材料 | |
JP2003190811A (ja) | 光触媒体、その製造方法およびそれを用いてなる光触媒体コーティング剤 | |
JP2004344863A (ja) | 光触媒担持多孔性ゲル及びその製造法 | |
CN111747445B (zh) | 一种TiO2-SiO2氧化物复合材料及其制备方法 | |
JP3136339B2 (ja) | 酸化チタン光触媒及びその製造方法 | |
RU2709506C1 (ru) | Способ получения фотокатализатора на основе диоксида титана, допированного скандием | |
CN103977756B (zh) | 高结晶度纳米氧化锌-二氧化钛吸附剂及其制备方法 | |
JP4882147B2 (ja) | 新規mor型メタロアルミノシリケートの製造方法 | |
JP4580197B2 (ja) | 広い波長領域において光触媒活性を有する酸化チタン光触媒およびその製造方法 | |
JP4296533B2 (ja) | 窒素酸化物除去性能にすぐれた酸化チタン光触媒 | |
Liu et al. | Photocatalytic activity of pure rutile particles derived from a photo-assisted sol-gel method | |
JP2007260480A (ja) | 光触媒分散体およびその製造方法 |