Полная версия

Главная arrow Математика, химия, физика arrow Адсорбенты и носители катализаторов. Научные основы регулирования пористой структуры

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ СОЛЕЙ ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ НА ПОРИСТУЮ СТРУКТУРУ ГИДРОКСИДОВ АЛЮМИНИЯ, ЖЕЛЕЗА И МАГНИЯ

Результаты работы [284] дают основание для более детального исследования и изучения влияния мольной концентрации солей одновалентных щелочных металлов на формирование пористой структуры адсорбентов и катализаторов, а также сочетания солей, разрушающих и укрепляющих структуру воды.

Это позволит, с одной стороны, определить некоторые причины, влияющие на процесс формирования пористой структуры образцов, а с другой - оценить эффективность действия солей, укрепляющих и разрушающих структуру воды.

При этом определенный интерес представляет влияние формы и размера частиц гидроксида на структурообразование образцов в присутствии различных солей одновалентных щелочных металлов.

Исследование в данном направлении проводилось при синтезе гидроксидов железа, магния и алюминия в присутствии одновалентных ионов щелочных солей, содержание которых в растворе изменялось от 0,05 до 0,20 моль. В качестве одновалентных щелочных металлов изучены как соли, катионы и анионы которых укрепляют структуру воды, так и соли, разрушающие ее структуру. Кроме этого, изучено действие смеси солей укрепляющих и разрушающих структуру воды.

Синтез гидроксидов проводили из 10% растворов сернокислых солей железа, алюминия и магния, а в качестве солей щелочных металлов использовали 1л2804, укрепляющий структуру воды, и ШэВг - разрушающий ее структуру.

Проведенные исследования и полученные результаты показывают, что с ростом содержания в составе раствора 1л2804 сорбционная емкость и удельная поверхность получаемых образцов гидроксидов алюминия непрерывно уменьшается. Аналогичная зависимость наблюдается и при формировании пористой структуры гидроксидов железа и магния (таблица 4.5, рисунок 4.9).

Причина данных структурных изменений, по-видимому, связана с тем, что с ростом концентрации солей одновалентных ионов в растворе расстояние между гидратированными ионами сокращается за счет уменьшения объема, занимаемого структурно нормальной водой. При достижении границы полной гидратации ионов в растворе исчезают зоны собственной структуры воды и деструктурированной воды.

Граница полной гидратации достигается при такой концентрации добавляемых солей одновалентых ионов, при которой все молекулы раствора распределены между гидратными оболочками катионов и анионов.

Начиная с этого момента, ионы в растворе ведут конкурентную борьбу за растворитель, молекулы которого подвергаются перераспределению в зависимости от гидрационной способности ионов [285-287]. Иначе говоря, механизм указанных структурных изменений различен и обусловлен он факторами, связанными как с состоянием и свойствами растворителя, так и свойствами вещества, растворенного в нем.

Рост концентрации солей щелочных металлов, как уже отмечали, сопровождается уменьшением в растворе свободной деструктурированной воды. В результате этого прекращается степень гидратации растворенного вещества, т.е. происходит процесс высаливания [169,170,288-290], который, как следует из полученных данных, отрицательно сказывается на формировании пористой структуры получаемых образцов.

Иначе говоря, низкая степень гидратации растворенного вещества способствует взаимодействию его частиц друг с другом, образуя в итоге образцы, состоящие из плотноупакованных частиц, обладающих низкой сорбционной емкостью и удельной поверхностью.

Несколько иная картина наблюдается в случае гидроксида магния, анизодинамичность частиц которого способствует формированию образцов с повышенной сорбционной емкостью.

Тем не менее, существует определенная граница концентрации солей щелочных металлов в солевом растворе, обеспечивающая высокие структурные параметры получаемых пористых тел, которые превышают аналогичные показатели контрольного образца.

Концентрация соли, моль

Зависимость удельной поверхности (а) и сорбционной емкости (б) образцов гидроксида железа от содержания (моль) соли (1 - 1л8 0

Рис. 4.9. Зависимость удельной поверхности (а) и сорбционной емкости (б) образцов гидроксида железа от содержания (моль) соли (1 - 1л28 04,

2 -ЯЬВг, 3 - 1л2804+ ЯЬВг) в растворе

Концентрация соли, моль

Более высокое содержание солей щелочных металлов в растворе, как видно из данных таблицы 4.5, сопровождается уменьшением структурных параметров синтезируемых образцов.

Наряду с этим следует отметить, что степень структурных изменений получаемых образцов, как и в работе [284], зависит от активности применяемых катионов и анионов.

Так, например, 1л , 8042' настолько сильно укрепляют структуру воды, что перекрывают разрушающее действие отдельных катионов.

Безусловно, при использовании солей, в которых действия катионов и анионов совпадают, т.е. они укрепляют или разрушают структуру растворителя, их структурообразующий эффект будет более заметен (таблица

4.5, рисунок 4.9).

Помимо данных исследований, были проведены опыты по синтезу пористых материалов в зависимости от комбинации солей одновалентных щелочных металлов, содержащих соли, укрепляющие и разрушающие структуру воды. Мольное содержание данных солей в растворе не превышало мольного содержания индивидуальной соли. Это позволило сохранить катионный и анионный баланс в растворе и получить результаты, сопоставимые со структурными параметрами образцов, полученных как и при том же содержании индивидуальной соли.

Проведенные исследования и полученные структурные результаты гидроксидов железа, показывают, что суммарное действие смеси указанных солей заметно отличается от результатов их индивидуального применения.

Во-первых, сорбционная емкость и удельная поверхность получаемых образцов заметно выше емкости поглощения образцов гидроксида железа и алюминия, полученных в присутствии 1л2804, катион и анион которого укрепляет структуру раствора, и весьма близка к структурным параметрам гидроксида железа, синтезированного в присутствии ЯЬВг.

Во-вторых, пористая структура образцов, полученных как в присутствии 1л2804, так и в присутствии ЯЬВг, линейно изменяется в зависимости от концентрации указанных солей в растворе. При этом данная зависимость наиболее четко выражена в присутствии 1л2804, эффект действия которого направлен на уменьшение структурных параметров получаемых образцов, в то время как в присутствии ШэВг, наоборот, сорбционная емкость и удельная поверхность образцов увеличивается (таблица 4.5 и рисунок 4.9).

Итак, проведенные исследования, а также данные работы [284] дают основание для решения вопроса о механизме структурообразования получаемых образцов, тем более, что факторы, влияющие на свойства среды, определены и установлены их причины.

Задача состоит лишь в том, чтобы с учетом изменения свойств раствора под действием катионов и анионов солей щелочных металлов оценить структурные изменения среды и ее влияние на свойства растворенного вещества, гидратацию его частиц и формирование пористой структуры полученного образца.

Безусловно, механизм структурообразования образцов связан с характером действия применяемых солей, и, главное, с результатами их проявления. Иначе говоря, эффект их действия зависит от степени воздействия катионов и анионов применяемых солей на структуру растворителя.

Соли, упрочняющие структуру воды, т.е. разрушающие ее тетраэдрическую структуру и образующие структуру иного характера, как правило, уменьшают степень гидратации частиц растворенного вещества, что, как известно, способствует взаимодействию таких частиц друг с другом.

В результате образуется структурно прочный каркас, обеспечивающий низкую емкость поглощения синтезируемого твердого тела.

Характерно то, что чем выше структуроразрушающая способность катионов и анионов соли, тем выше дисперсность частиц синтезируемого вещества и соответственно ниже структурные параметры получаемых образцов.

Противоположная картина структурообразования наблюдается при применении солей, разрыхляющих структуру растворителя. В данном случае в растворе увеличивается количество деструктурированной воды, в результате чего увеличивается степень гидратации частиц растворенного вещества, а следовательно, увеличивается и их агрегативная устойчивость.

Сушка таких гидрогелей, как известно, сопровождается большой объемной усадкой, чему способствует гидратная оболочка частиц, способствующая плотной объемной их упаковке под действием сил капиллярной контракции.

Такие образования характеризуются низкой сорбционной емкостью и удельной поверхностью.

Помимо данных факторов не исключено, что как в первом, так и во втором случае не малую роль играет изменение концентрации растворенного вещества.

Так, например, в случае использования солей, укрепляющих структуру растворителя, количество свободного растворителя в солевом растворе уменьшается, в результате чего концентрация растворенного вещества увеличивается, а степень гидратации его ионов уменьшается. Осаждение гидроксидов из таких растворов, как правило, сопровождается образованием образцов с более низкой сорбционной емкостью.

В случае же солей, разрушающих структуру воды в растворе, увеличивается количество деструктурированной воды, в результате чего растворенное вещество, по сравнению с солями, укрепляющими структуру воды, является более разбавленным, что в итоге сказывается на характере пористости осаждаемого гидроксида.

Итак, рассмотренные методы синтеза гидроксидов металлов и регулирования их пористой структуры открывает новую перспективу для синтеза адсорбентов и катализаторов с заданной пористой структурой, а соответственно и с определенным адсорбционным потенциалом и каталитическими свойствами.

Результаты настоящих исследований - начало дальнейшего развития этого направления, с использованием солей неорганических и органических кислот щелочных одновалентных металлов.

Особый интерес при этом представляет применение солей органических кислот, углеводородный радикал которых, внедряясь в тетраэдрическую структуру воды, разрушает ее в большей степени, чем некоторые соли неорганических кислот.

Таблица. 4.6

Адсорбционно-структурные характеристики образцов

п/п

Образец

Мольная доля модифицирующей соли в растворе

Зуд>

м2

см3

Кр, л

Ре(ОН)3

контрольные образцы

212

0,225

21

М8(ОН)2

108

0,390

72

А1(ОН)з

180

0,521

58

2804

1

Ре(ОН)3

0,05

145

0,141

19

2

Ре(ОН)з

0,1

82

0,125

56

3

Ре(ОН)з

0,15

73

0,065

55

4

Ре(ОН)з

0,2

59

0,044

47

5

М8(ОН)2

0,05

104

0,292

48

6

М8(ОН)2

0,1

95

0,260

24

7

М8(ОН)2

0,15

90

0,210

13

8

М8(ОН)2

0,2

83

0,199

18

9

А1(ОН)3

0,05

102

0,121

17

10

А1(ОН)3

0,1

70

0,045

15

11

А1(ОН)3

0,15

41

0,036

56

12

А1(ОН)з

0,2

15

0,013

55

ЯЬВг

13

Ре(ОН)з

0,05

232

0,198

17

14

Ре(ОН)3

0,1

244

0,175

14

15

Ре(ОН)3

0,15

281

0,189

13

16

Ре(ОН)3

0,2

320

0,228

14

17

М8(ОН)2

0,05

76

0,295

78

18

М8(ОН)2

0,1

80

0,219

55

19

м8(0Н)2

0,15

85

0,270

64

20

м8(0Н)2

0,2

94

0,362

77

2804 + ЯЬВг

21

Ре(ОН)3

0,05

270

0,192

14

22

Ре(ОН)3

0,1

269

0,189

14

23

Ре(ОН)3

0,15

260

0,182

14

24

Ре(ОН)3

0,2

259

0,187

14

* средний эффективный радиус пор рассчитывали по формуле

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>