СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ
МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ СИАЛОНА В
ПРОЦЕССЕ ДЕГРАДАЦИИ РАСТВОРИМЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ
ВЕЩЕСТВ
Введение 7
1 Литературный обзор
1.1 Прогрессивные окислительные технологии для процессов очистки вод от
растворимых органических веществ 8
1.1.1 Гетерогенный фотокатализ 9
1.1.2 Гомогенные фотокаталитические системы 9
1.1.2.1 Системы фото-фентона и радио-фентона 9
1.1.2.2 Ферриоксалатная система 10
1.1.2 Озонирование и каталитическое озонирование 11
1.2 Самораспространяющийся высокотемпературный синтез как метод синтеза
металлокерамических композитов 12
1.2.1 Сущность СВС 12
1.2.2 Химические классы СВС-процессов 14
1.2.2.1 Безгазовые системы 15
1.2.2.2 Фильтрационные системы 15
1.2.2.3 Газвыделяющие системы 16
1.2.2.4 Системы с восстановительной стадией 16
1.2.3 Классы продуктов СВС 16
1.2.4 Термодинамика СВС-реакций 17
1.2.5 Горение сплавов в азоте 17
1.2.5.1 Закономерности горения ферросилиция в азоте 17
1.2.5.2 Процесс азотирования ферросилиция 18
1.2.5.3 Процесс азотирования ферросиликоалюминия 18
1.2.6 Роль вводимых в шихту добавок 19
1.2.7 Применение продуктов СВС-азотирования 20
1.3 Щавелевая кислота и её свойства 22
1.3.1 Химические свойства 23
1.3.2 Токсичность 23
1.4 Индикаторный метод 24
2 Экспериментальная часть
2.1 Техника безопасности 26
2.2 Материалы и исходные реактивы, используемые в работе 27
2.3 Методы исследования 28
2.3.1 Исследование кислотно-основных свойств поверхности 28
2.3.1.1 рН-метрия 28
2.3.1.2 Индикаторный метод 28
2.3.1 Исследование сорбционной активности композитов 29
2.3.2.1 Исследование световой сорбционной активности композитов по
отношению к щавелевой кислоте 29
2.3.2.2 Исследование теневой сорбционной активности композитов по
отношению к щавелевой кислоте 29
2.3.2.3 Исследование сорбционной активности композитов в
ферриоксалатной системе в зависимости от рН раствора 29
2.3.3 Перманганатометрическое титрование 30
3 Результаты и их обсуждение
3.1 Свойства исходного композита на основе сиалона 31
3.1.1 Кислотно-основные свойства 31
3.1.2 Сорбционная и фотокаталитическая активность 32
3.2 Синтез модифицированных металлокерамических композитов на основе
сиалона 34
3.2.1 Методика проведения эксперимента 34
3.2.2 Лабораторный журнал процесса горения 35
3.2.3 Условия и глубина синтеза композитов 37
3.3 Характеристика полученных композитов 39
3.3.1 Рентгено-фазовый анализ 39
3.3.2 Исследование морфологии поверхности композитов на основе сиалона 41
3.3.3 Кислотно-основные свойства 45
3.3.3.1 Интегральные кинетические кривые 45
3.3.3.2 Исследование поверхностных кислотно-основных центров
композитов (индикаторный метод Гаммета) 45
3.3.4 Адсорбционная и каталитическая активность 47
Выводы 48
Список использованной литературы 49
Приложение
... раздел 3 отсутствует
Керамические материалы на основе нитрида кремния находят всё более широкое применение в промышленности благодаря своим уникальным свойствам. Р-сиалон (Si6- zAlzOzN8-z) обладает высокой износостойкостью, жаростойкостью, коррозийной стойкостью, а также устойчивостью при высоких температурах. В последнее время показано, что композиция P-Si3Al3O3N5 - a-Fe обладает высокой фотокаталитической активностью в процессах глубокой деградации растворённых органических соединений при очистке сточных вод. При этом после каталитической очистки вода не загрязняется железом вследствие внедрения металлического железа в сиалоновую матрицу. Глубокая очистка воды от растворимых органических загрязнителей (РОВ) в присутствии композитов осуществляется в результате совмещённого гомогенного и гетерогенного катализа. Гомогенный катализ протекает в результате растворения металлического железа и образованием в растворе при добавке H2O2 или H2C2O4 активных фотокаталитических систем фото-Фентона (H2O2/Fe/YO) или ферриоксалатной ([Fe(C2O4)3]3-), гетерогенный катализ связан как с наличием металлического железа в композите, так и с активностью самой керамической матрицы. Наличие в матрице карбидов металлов (Al4C3, SiC и др.), являющихся широкозонными полупроводниками, придаёт материалу оптическую активность в широком диапазоне излучения (300-850 нм). Представляло интерес для увеличения в образце карбидов металлов провести синтез металлокерамического композита на основе сиалона с добавкой в исходную шихту ферросиликоалюминия (ФСА) углеродсодержащего шунгита.
В связи с этим цель работы - синтез железосодержащего композита на основе сиалона с добавлением в исходную шихту шунгита и исследование его фотокаталитической активности в процессе деградации щавелевой кислоты.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1. Оптимизация условий синтеза металлокерамического композита на основе сиалона с введением в исходную шихту ФСА шунгита.
2. Изучение фазового состава полученных композитов.
3. Изучение кислотно-основных свойств поверхности композитов индикаторным методом Гаммета.
4. Изучение адсорбционной активности композитов к растворимым органическим веществам
5. Оценка каталитической активности композита в процессе деградации
щавелевой кислоты.
1. Синтезированы композиты на основе сиалона методом СВС. Для придания композитам большей каталитической активности было исследовано влияние инертной добавки углеродсодержащего шунгита в исходную шихту.
2. Методом рентгеновской дифракции установлен фазовый состав синтезированных композитов. Показано, что добавка шунгита способствует глубине синтеза: в случае небольших добавок (10 %) - преобладает фаза нитрида кремния, в случае больших (25 %) - фаза сиалона. Обнаружено большое содержание металлического железа и наличие карбидов металлов.
3. Методом РЭМ изучены особенности морфологии поверхности композитов и установлен элементный состав. Показано, что композит №2 (на основе сиалона) характеризуется меньшим размером частиц и их более равномерным распределением по поверхности.
4. Индикаторным методом Гаммета изучены кислотно-основные свойства поверхности композитов. Установлено, что на поверхности образцов преобладают кислотные центры Бренстеда.
5. Проведена оценка сорбционной активности исследуемых композитов по отношению к щавелевой кислоте. Показано, что большей сорбционной активностью обладает композит, содержащий большее количество активных центров.
6. Исследована фотокаталитическая активность композитов в процессе деградации щавелевой кислоты в условиях ферриоксалатной системы. Установлена наибольшая активность композита, содержащего большее количество железа и карбидов металлов в нейтральной среде, что согласуется с литературными данными.
