Автореферат (Исследование кислотно-основных и адсорбционных свойств веществ оксидной природы)

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТНа правах рукописиЛарионов Максим ИгоревичИССЛЕДОВАНИЕ КИСЛОТНО-ОСНОВНЫХ И АДСОРБЦИОННЫХСВОЙСТВ ВЕЩЕСТВ ОКСИДНОЙ ПРИРОДЫСпециальность 02.00.11 – коллоидная химияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соисканиеучёной степени кандидата химических наукСанкт-Петербург2016Работа выполнена на кафедре коллоидной химии института химии СанктПетербургского государственного университета.Научный руководитель:Грибанова Елена Владимировнаведущий научный сотрудник, доктор химическихнаукОфициальные оппоненты:Бибик Ефим Ефимовичдоктор химических наук, профессор, СанктПетербургский государственный технологическийинститут (технический университет)Шуткевич Владимир Владимировичкандидат химических наук, Генеральный директорOOO «Фернанос»Ведущая организация:Защита состоится “Санкт-Петербургская химико-фармацевтическаяакадемия, г. Санкт-Петербург2016 г.

в”часов на заседании диссертационногосовета Д 212.232.40 по защите диссертаций на соискание ученой степенидоктораикандидатахимическихнаукприСанкт-Петербургскомгосударственном университете по адресу: 199004, Санкт-Петербург, Среднийпроспект В.О., д. 41/43, большая химическая аудитория.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. А.М.

ГорькогоСПбГУ, Университетская наб., 7/9.Автореферат разослан “2016 г.”Ученый секретарь диссертационного совета,кандидат химических наук, доцент2Суходолов Н.Г.АктуальностьОдна из острых проблем, которые стоят перед человеком со временипоявления промышленного производства – это очистка воды. Загрязнённая водапредставляет собой одну из важнейших проблем, особенно в странах,являющимися промышленными центрами мира.

Эта проблема обычнодостаточно эффективно решается применением сорбентов, важнымихарактеристиками, которых являются высокая эффективность и низкаясебестоимость. В последнее время в качестве компонентов и иногда самихсорбентов стали использоваться магнитные вещества, чаще всего магнетит, атакже изучаемые на кафедре коллоидной химии нано феррошпинели, т.к.помимо магнитных свойств, облегчающих манипуляцию с ними, они обладаютдостаточно высокой адсорбционной ёмкостью и механической прочностью. Впоследнее время в качестве недорогих сорбентов находят применение такжетермообработанные сельскохозяйственные отходы (лузга и стебли зерновыхкультур).Изучение поверхностных и электроповерхностных свойств твердых телвсегда было проблемой, интересной и важной не только с теоретической, но и спрактической точки зрения, поскольку без исследования этих свойствневозможно эффективно изготовлять и использовать качественные адсорбенты,катализаторы, полупроводники.

Поскольку качество этих веществ начинаетпроявляться в момент взаимодействия их поверхности с раствором, дляизучения этого взаимодействия лучше всего подходит характеризующее егоявление смачивания, а именно измерение краевого угла. Процесс адсорбциитакже начинается в момент контакта поверхности адсорбента с раствором изависит от свойств этой поверхности. Поэтому именно эти два метода сталиосновными в данном исследовании.Цель работыЦелью работы было детальное исследование влияния состава раствора назависимость углов смачивания от концентрации потенциалопределяющихионов (pH для оксидов), а также использования этой зависимости для расчётакислотно-основных характеристик поверхности оксидов. В задачу данногоисследования входило также изучение поверхностных и адсорбционныхсвойств различных твердых тел оксидной природы, в том числе различныхобразцов адсорбентов на основе нано феррошпинели состава Mn0,7Zn0,3Fe2O4.Научная новизнаВпервые проведены расчёты кислотно-основных характеристикповерхностей ряда оксидных систем с использованием зависимостей угласмачивания от pH раствора в том числе в присутствии фонового электролита.Обнаружено при исследовании сорбции ионов тяжёлых металлов наразличных образцах феррошпинели состава Mn0,7Zn0,3Fe2O4, что сложныйхарактерадсорбцииразличныхионовобусловленхимическимвзаимодействием между адсорбентом и адсорбатом.

Предложены возможныемеханизмы адсорбции на изученных сорбентах.3Практическая значимостьПоказано, что полученные в результате исследования образцы сорбентовмогут быть успешно применены для очистки сточных вод от различных ионовтяжёлых металлов.Обнаружено при сравнении данных потенциометрического титрования срезультатами расчетов по смачиванию, что использование зависимостей угласмачивания от pH раствора для расчёта кислотно-основных характеристикповерхности твердого тела позволяет оценить не только величины константдиссоциации активных центров, как потенциометрическое титрование, но и ихсодержание. Показано также, что использовать потенциометрическоетитрование для этой цели, так же как и для оценки заряда поверхностинеправомочно.Апробация работыОсновные результаты работы докладывались семинарах кафедры и наVIII Всероссийской конференции с международным участием молодых учёныхпо химии «Менделеев 2014», Санкт-Петербург, 2014.ПубликацииПо теме работы опубликовано 7 работ, в том числе 6 статей, все изперечня ВАК и 1 тезисы докладов.Положения выносимые на защиту♦ Влияние способа очистки и обработки поверхности твердого тела наполучение достоверных и воспроизводимых результатов по измерениюзависимости углов смачивания от различных факторов.♦ Влияние состава и концентрации различных фоновых электролитов назависимость углов смачивания от pH (концентрации потенциал определяющихионов).♦ Расчёты кислотно-основных характеристик поверхности твердых телоксидной природы по данным зависимости углов смачивания от pH исравнение результатов этих расчетов с данными потенциометрическоготитрования.♦ Результаты адсорбции ионов Cu2+, Pb2+ и Cr3+ на различных образцахсорбентов на основе феррошпинели состава Mn0,7Zn0,3Fe2O4 .♦ Возможные механизмы адсорбции Cu2+, Pb2+ и Cr3+ на различныхобразцах феррошпинели.Объём и структура диссертацииДиссертационная работа объёмом 162 страницы состоит из введения,обзора литературы, описания объектов и методик исследования,экспериментальных результатов и их обсуждения, выводов и приложения.

В4диссертации 65 рисунков, 41 таблица, 24 из которых в приложении, списоклитературы, включающий 79 наименований.Основное содержание диссертационной работы1. Во введении кратко излагается актуальность исследования, и определяютсязадачи исследования.2. В обзоре литературы обсуждаются: 1) кислотно-основные центры наповерхности твёрдого тела; 2) использование фундаментальныххарактеристик атомов и ионов для прогнозирования кислотно-основныхсвойств веществ; 3) методы определения кислотно-основных характеристикоксидов; 4) основные положения смачивания; 5) влияние заряда поверхностина смачивание; 6) структура ферритов; 7) адсорбция из растворов наповерхности адсорбента; 8) применение сельскохозяйственных отходов впромышленности.3.

В объектах исследования охарактеризованы все вещества и реактивы, скоторыми проводились эксперименты: пластинки оксидов алюминия икремния (IV) и синтезированной феррошпинели состава Mn0,7Zn0,3Fe2O4 наплавленом кварце; порошки корунда, кварца и различных синтезированныхобразцов феррошпинели.4. В методиках экспериментов приведены методы, с помощью которыхпроводилось исследование: метод потенциометрического титрования,микрофотографирование сидячей капли, метод соосаждения для синтезаразличных образцов феррошпинелей, метод рентгенофазового анализа,метод тепловой десорбции аргона, метод сканирующей электронноймикроскопии,методатомно-эмиссионнойспектроскопии,методрентгенофлуоресцентного анализа, метод измерения намагниченности.5.

Результаты экспериментов и их обсуждение представлены в пяти разделахчетвёртой главы.Потенциометрическое титрованиеНа рис. 1а) и б) приведены результаты потенциометрического титрованиясуспензии корунда с разными фоновыми растворами: KCl (рис. 1а)) и KNO3(рис. 1б)).265Γ, мкмоль/м24а)310,001 M0,01 M0,1 MВода20-1-2-4pH0-246823456б)78 pH 910-31-1 2Γ, мкмоль/м210-512-6-7вода0,001 M KNO30,01 M KNO3-8-3Рис.

1. Зависимость адсорбции потенциал определяющих ионов ΓOH − H от pH раствора накорунде в фоновых растворах различной концентрации а) KCl, б) KNO3.5В кислой области можно наблюдать при появлении в растворе 0,001 Мраствора KCl значительное увеличение адсорбции H+-иона. Дальнейшееувеличение концентрации хлорида калия приводит к уменьшению адсорбцииH+-иона (отрицательной величины Γ ), что, по-видимому, связано соспецифическим взаимодействием ионов калия с поверхностью оксидаалюминия. Загибы кривых ΓOH − H при pH >10 и pH <4 связаны, по-видимому, снекоторым растворением корунда в кислой и щелочной областях.Из рис.

1б) видно, что с ростом концентрации KNO3 величина адсорбцииионов H+ и OH- как в кислой, так и в щелочной области уменьшается. ЗначениеΓOH − H для KNO3 колеблется от 2 до -7 мкмоль/м2, для KCl – от 1 только до -3мкмоль/м2, что можно объяснить влиянием аниона на кислотно-основныесвойства. Нитрат-ион имеет больший радиус, чем хлорид-ион, поэтомугидратная оболочка Cl- развита лучше, чем у NO3-.