Помощь студентам в учебе
ОЦЕНКА КАТАЛИТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ НИТРИДОВ БОРА И КРЕМНИЯ ДЛЯ ДЕГРАДАЦИИ РАСТВОРИМЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ВИДИМОГО И УФ ИЗЛУЧЕНИЯ
|
РЕФЕРАТ 3
ВВЕДЕНИЕ 6
1 Обзор литературы 8
1.1 Свойства растворимых органических соединений 8
1.1.1 Свойства фенола 8
1.1.1.1 Свойства фенола и его применение 8
1.1.1.2 Токсичные свойства 12
1.1.2 Свойства щавелевой кислоты 13
1.1.2.1 Химические свойства щавелевой кислоты и области ее применения 13
1.1.2.3 Токсичные свойства 17
1.2 Сточные воды красильно-отделочных производств и методы их деколоризации 18
1.2.1 Классификация красителей 18
1.2.2 Поступление красителей в окружающую среду 20
1.2.3 Влияние красителей на жизнедеятельность организмов 21
1.2.4 Методы обесцвечивания сточных вод 22
1.2.4.1 Биологические методы 22
1.2.4.2 Физико-химические методы 23
1.3 Синтез металлокерамических композитов методом СВС 25
1.3.1 Синтез нитрида кремния 28
1.3.2 Синтез нитрида бора 30
1.4 Методы фотокаталитического окисления растворимых органических веществ 31
1.4.1 Гетерогенное фотокаталитическое окисление 31
1.4.2 Гомогенные фотокаталитические системы 35
1.5 Каталитическая активность железосодержащих композитов на основе нитридов кремния
и бора в процессах деградации РОВ 38
Заключение 40
2. Экспериментальная часть 41
2.1 Техника безопасности 41
2.2 Материалы и аппаратура, используемые в работе 42
2.3 Источники излучения 43
2.4 Методики исследования и анализа 43
2.4.1 Методика спектрофотометрического определения фенола с помощью реагента 4-
аминоантипорина 43
2.4.2 Методика спектрофотометрического определения красителей 44
2.4.3 Методика исследования сорбции фенола, красителей на композитах на основе нитрида
кремния и бора 44
2.4.6 Методика исследования каталитической активности композитов в условиях видимого
излучения 45
2.4.7 Методика перманганатометрического титрования щавелевой кислоты 46
3 Обсуждение результатов 47
3.1 Морфологические особенности образцов и элементный состав 47
3.2 Адсорбционные свойства железосодержащих композитов на основе B-N-Fe и Si-N-Fe .. 50
3.3 Фотокаталитическая активность железосодержащих композитов B-N-Fe и Si-N-Fe в
процессе деградации щавелевой кислоты 52
3.4 Оценка фотокаталитической активности железосодержащих композитов в процессе
деградации красителей 55
3.5 Оценка фотокаталитической активности железосодержащих композитов на основе
нитриа бора в процессе деградации фенола 56
ВЫВОДЫ 59
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 60
ВВЕДЕНИЕ 6
1 Обзор литературы 8
1.1 Свойства растворимых органических соединений 8
1.1.1 Свойства фенола 8
1.1.1.1 Свойства фенола и его применение 8
1.1.1.2 Токсичные свойства 12
1.1.2 Свойства щавелевой кислоты 13
1.1.2.1 Химические свойства щавелевой кислоты и области ее применения 13
1.1.2.3 Токсичные свойства 17
1.2 Сточные воды красильно-отделочных производств и методы их деколоризации 18
1.2.1 Классификация красителей 18
1.2.2 Поступление красителей в окружающую среду 20
1.2.3 Влияние красителей на жизнедеятельность организмов 21
1.2.4 Методы обесцвечивания сточных вод 22
1.2.4.1 Биологические методы 22
1.2.4.2 Физико-химические методы 23
1.3 Синтез металлокерамических композитов методом СВС 25
1.3.1 Синтез нитрида кремния 28
1.3.2 Синтез нитрида бора 30
1.4 Методы фотокаталитического окисления растворимых органических веществ 31
1.4.1 Гетерогенное фотокаталитическое окисление 31
1.4.2 Гомогенные фотокаталитические системы 35
1.5 Каталитическая активность железосодержащих композитов на основе нитридов кремния
и бора в процессах деградации РОВ 38
Заключение 40
2. Экспериментальная часть 41
2.1 Техника безопасности 41
2.2 Материалы и аппаратура, используемые в работе 42
2.3 Источники излучения 43
2.4 Методики исследования и анализа 43
2.4.1 Методика спектрофотометрического определения фенола с помощью реагента 4-
аминоантипорина 43
2.4.2 Методика спектрофотометрического определения красителей 44
2.4.3 Методика исследования сорбции фенола, красителей на композитах на основе нитрида
кремния и бора 44
2.4.6 Методика исследования каталитической активности композитов в условиях видимого
излучения 45
2.4.7 Методика перманганатометрического титрования щавелевой кислоты 46
3 Обсуждение результатов 47
3.1 Морфологические особенности образцов и элементный состав 47
3.2 Адсорбционные свойства железосодержащих композитов на основе B-N-Fe и Si-N-Fe .. 50
3.3 Фотокаталитическая активность железосодержащих композитов B-N-Fe и Si-N-Fe в
процессе деградации щавелевой кислоты 52
3.4 Оценка фотокаталитической активности железосодержащих композитов в процессе
деградации красителей 55
3.5 Оценка фотокаталитической активности железосодержащих композитов на основе
нитриа бора в процессе деградации фенола 56
ВЫВОДЫ 59
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 60
Современную промышленность невозможно представить без использования таких веществ как красители, фенолы, органические кислоты и другие. К сожалению, эти предприятия создают большие объемы сточных вод, загрязненных упомянутыми органическими загрязнителями. Все усугубляется еще и тем, что большинство с органических загрязнителей не поддаются биологическому уничтожению.
РОВ угнетают жизнедеятельность экосистем и отрицательно влияют на процессы самоочищения водоемов. Поэтому предельно допустимая концентрация (ПДК) РОВ, наряду с цветностью для красителей, является параметром, строго контролируемым для промышленных стоков. Деградация вредных органических соединений является первоочередной задачей для промышленных производств перед сбросом стоков на городские очистные сооружения.
Для очистки сточных вод применяют различные методы: химическая коагуляция, адсорбция на активированном угле, биодеградация и др. Тем не менее, большинство РОВ не поддается химическому или биологическому уничтожению. К наиболее эффективным средствам деградации относят передовые окислительные процессы (AOPs) с использованием высокоактивных гидроксильных радикалов в гомогенной или гетерогенной фазах. В гомогенном фотокатализе большой успех имеют фотокаталитические системы: Фентона и ферриоксалатная с использованием солей железа и реагентов-активаторов - Н2О2 и Н2С2О4. Однако концентрация оставшихся ионов железа в таких процессах обычно превышает ПДК (10 мг/л), что для его удаления требует дополнительных затрат. Для минимизации затрат предложены гетерогенные железосодержащие катализаторы, которые с одной стороны являются источником железа, с другой - катализируют процессы окисления органических соединений за счет оптически активной поверхности. Гетерогенный фотокатализ предполагает использовать оптически активные материалы, например, полупроводники, которые под действием излучения способны формировать на своей поверхности окислительные центры (дырки, 2,7эВ), способные окислять органические вещества и/или формировать в системе радикалы с высокой реакционной способностью.
Поскольку образующиеся продукты фотодеградации РОВ часто являются биоразлагаемыми, в дальнейшем стоки подвергаются дополнительной очистке в биологических сооружениях.
Ранее было показано, что Fe-керамические композиты на основе нитридов кремния, бора и сиалона эффективны в процессах фотокаталитического окисления растворимых органических веществ (РОВ). Высокая активность таких матриц связана с наличием фазы железа, при растворении которого в присутствии реагентов активаторов (Н2О2, Н2С2О4) в растворе образуются фотокаталитические системы Фентона и ферриоксалатная. Кроме того, металлокерамические композиты могут включать в свой состав широкозонные полупроводниковые соединения, в частности, BN, FesC, FeB и др., что придаёт им оптическую активность и позволяет матрице участвовать в процессах адсорбции и окисления при воздействии УФ и видимого излучения. При этом растворы не загрязняются железом, поскольку оно встроено в керамическую матрицу, что имеет экологическую и экономическую привлекательность.
Цель настоящей работы - оценка каталитической активности железосодержащих металлокерамических композитов на основе нитридов бора и кремния в процессе деградации фенола, щавелевой кислоты и красителей в условиях УФ и видимого излучения.
Для достижения цели были решены следующие задачи:
1. Исследование морфологических особенностей металлокерамических композитов и определение их элементного состава методом МРСА.
2. Изучение адсорбционной активности композитов по отношению к исследуемым РОВ.
3. Оценка фотокаталитической активности композитов на основе нитридов бора и кремния в процессе деградации РОВ при воздействии УФ и видимого излучения с Н2С2О4 для создания ферриоксалатной фотокаталитической системы.
РОВ угнетают жизнедеятельность экосистем и отрицательно влияют на процессы самоочищения водоемов. Поэтому предельно допустимая концентрация (ПДК) РОВ, наряду с цветностью для красителей, является параметром, строго контролируемым для промышленных стоков. Деградация вредных органических соединений является первоочередной задачей для промышленных производств перед сбросом стоков на городские очистные сооружения.
Для очистки сточных вод применяют различные методы: химическая коагуляция, адсорбция на активированном угле, биодеградация и др. Тем не менее, большинство РОВ не поддается химическому или биологическому уничтожению. К наиболее эффективным средствам деградации относят передовые окислительные процессы (AOPs) с использованием высокоактивных гидроксильных радикалов в гомогенной или гетерогенной фазах. В гомогенном фотокатализе большой успех имеют фотокаталитические системы: Фентона и ферриоксалатная с использованием солей железа и реагентов-активаторов - Н2О2 и Н2С2О4. Однако концентрация оставшихся ионов железа в таких процессах обычно превышает ПДК (10 мг/л), что для его удаления требует дополнительных затрат. Для минимизации затрат предложены гетерогенные железосодержащие катализаторы, которые с одной стороны являются источником железа, с другой - катализируют процессы окисления органических соединений за счет оптически активной поверхности. Гетерогенный фотокатализ предполагает использовать оптически активные материалы, например, полупроводники, которые под действием излучения способны формировать на своей поверхности окислительные центры (дырки, 2,7эВ), способные окислять органические вещества и/или формировать в системе радикалы с высокой реакционной способностью.
Поскольку образующиеся продукты фотодеградации РОВ часто являются биоразлагаемыми, в дальнейшем стоки подвергаются дополнительной очистке в биологических сооружениях.
Ранее было показано, что Fe-керамические композиты на основе нитридов кремния, бора и сиалона эффективны в процессах фотокаталитического окисления растворимых органических веществ (РОВ). Высокая активность таких матриц связана с наличием фазы железа, при растворении которого в присутствии реагентов активаторов (Н2О2, Н2С2О4) в растворе образуются фотокаталитические системы Фентона и ферриоксалатная. Кроме того, металлокерамические композиты могут включать в свой состав широкозонные полупроводниковые соединения, в частности, BN, FesC, FeB и др., что придаёт им оптическую активность и позволяет матрице участвовать в процессах адсорбции и окисления при воздействии УФ и видимого излучения. При этом растворы не загрязняются железом, поскольку оно встроено в керамическую матрицу, что имеет экологическую и экономическую привлекательность.
Цель настоящей работы - оценка каталитической активности железосодержащих металлокерамических композитов на основе нитридов бора и кремния в процессе деградации фенола, щавелевой кислоты и красителей в условиях УФ и видимого излучения.
Для достижения цели были решены следующие задачи:
1. Исследование морфологических особенностей металлокерамических композитов и определение их элементного состава методом МРСА.
2. Изучение адсорбционной активности композитов по отношению к исследуемым РОВ.
3. Оценка фотокаталитической активности композитов на основе нитридов бора и кремния в процессе деградации РОВ при воздействии УФ и видимого излучения с Н2С2О4 для создания ферриоксалатной фотокаталитической системы.
1. Железосодержащие композиты на основе B-N-Fe и Si-N-Fe, полученные методом СВС, являются эффективными катализаторами для очистки воды от растворимых органических соединений (РОВ).
2. Методом РЭМ изучены морфологические особенности металлокерамических композитов на основе нитридов бора и кремния. Установлено, что материалы состоят из частиц неправильной формы с большим разбросом по размеру и неравномерным распределением металлической фазы железа.
3. Микрорентгеноспектральным методом установлен элементный состав исследуемых образцов. Композиты содержат большое количество углерода, а вследствие этого и карбиды различных элементов, что перспективно для каталитических процессов в условиях УФ и видимого излучения.
4. Высокая адсорбционная активность композитов на основе нитрида бора связана с многообразием поверхностных кислотно-основных центров, установленных индикаторным методом Гаммета.
5. Высокая степень деградации РОВ в присутствии щавелевой кислоты (до 98 %) в присутствии композитов на основе нитрида бора и кремния при наложении УФ излучения обусловлена адсорбционной и оптической активностью композитов и возникновением в растворе фотокаталитичекской ферриоксалатной системы, то есть совмещением гетерогенного и гомогенного катализа.
6. Степень деградации РОВ в присутствии композитов на основе нитрида бора и кремния при наложении видимого излучения прежде всего обусловлена адсорбционной активностью поверхности композитов.
7. Для композитов на основе нитрида бора деградация органических загрязнителей осуществляется прежде всего вследствие высоких оптических свойств поверхности (присутствие полупроводниковых соединений: B4C, Fe3C, SiC, MgC2, AI4C3). Для композитов на основе нитрида кремния степень деградации связана с большим содержанием железа, что повышает роль гомогенного катализа.
8. Показано, что ферриоксалатная система в процессе деградации фенола при наложении видимого излучения также, как и при УФО, наиболее активна при рН = 5-6.
2. Методом РЭМ изучены морфологические особенности металлокерамических композитов на основе нитридов бора и кремния. Установлено, что материалы состоят из частиц неправильной формы с большим разбросом по размеру и неравномерным распределением металлической фазы железа.
3. Микрорентгеноспектральным методом установлен элементный состав исследуемых образцов. Композиты содержат большое количество углерода, а вследствие этого и карбиды различных элементов, что перспективно для каталитических процессов в условиях УФ и видимого излучения.
4. Высокая адсорбционная активность композитов на основе нитрида бора связана с многообразием поверхностных кислотно-основных центров, установленных индикаторным методом Гаммета.
5. Высокая степень деградации РОВ в присутствии щавелевой кислоты (до 98 %) в присутствии композитов на основе нитрида бора и кремния при наложении УФ излучения обусловлена адсорбционной и оптической активностью композитов и возникновением в растворе фотокаталитичекской ферриоксалатной системы, то есть совмещением гетерогенного и гомогенного катализа.
6. Степень деградации РОВ в присутствии композитов на основе нитрида бора и кремния при наложении видимого излучения прежде всего обусловлена адсорбционной активностью поверхности композитов.
7. Для композитов на основе нитрида бора деградация органических загрязнителей осуществляется прежде всего вследствие высоких оптических свойств поверхности (присутствие полупроводниковых соединений: B4C, Fe3C, SiC, MgC2, AI4C3). Для композитов на основе нитрида кремния степень деградации связана с большим содержанием железа, что повышает роль гомогенного катализа.
8. Показано, что ферриоксалатная система в процессе деградации фенола при наложении видимого излучения также, как и при УФО, наиболее активна при рН = 5-6.
