Изучение возможности применения магнитных жидкостей для синтеза магнитных сорбентов

Министерство народного образования Республики Беларусь

Беларусский ордена трудового красного знамени государственный университет имени В.И. Ленина

Химический факультет

Кафедра неорганической химии

Изучение возможности применения магнитных жидкостей для синтеза магнитных сорбентов

Дипломная работа студентки 5-го курса

Кекало Екатерины Александровны

                                                               Руководитель

                                                               канд. хим. наук, доцент                           Н.Н. Горошко

                                                               Рецензент

                                                               доктор хим. наук,

                                                               профессор                                               Е.А. Стрельцов

                                                               Дипломник                                                   Е.А. Кекало

"Допустить к защите"         04.06.2004

Зав.кафедрой

Доктор хим. наук                            С.К. Рахманов

г. Минск,

2004г.

Содержание:

Содержание……...........................................................................................................................2

Введение………………...……………………....................................................….....................4

1. Обзор литературы……………………………………….................................................6

1.1.Магнитные сорбенты………………………….........................................................6

1.1.1. Синтез пористых ферритов с применением выгорающих добавок….........6

1.1.2. Неорганические магнитонаполненные адсорбенты.....................................7

1.1.3. Углеминеральные магнитные сорбенты........................................................9

Изотермы адсорбции………………………………………………………………11

1.2.Магнитная жидкость как коллоидная система.......................................................17

1.2.1.Устойчивость магнитных жидкостей............................................................18

1.2.2.Обзор методов получения магнитных жидкостей........................................21

1.2.2.1.Дисперсионные методы получения MЖ..............................................22

1.2.2.2.Методы конденсации.............................................................................30

2. Методика эксперимента...................................................................................................30

2.1. Синтез магнитного материала……………………………………………………30

2.1.1. Синтез магнетита ...........................................................................................30

2.1.2. синтез магнетита ............................................................................................31

2.1.3. Синтез магнитной жидкости с водной дисперсионной средой и стабилизатором олеатом ТЭА........................................................................31

2.1.4.Синтез магнитной жидкости с водной дисперсионной средой и стабилизатором олеатом аммония…………………………………………32

2.1.5. Синтез магнитной жидкости с водной дисперсионной средой и минеральными кислотами в качестве стабилизатора ……………………32

2.1.6. Синтез магнитной жидкости с деканом в качестве дисперсионной среды и стабилизатором олеиновой кислотой……………………………………...32

2.1.7. Синтез магнитной жидкости с керосином в качестве дисперсионной среды и стабилизатором олеиновой кислотой…………………………….32

2.2. Синтез магнитного сорбента…………………………………………………….33

2.2.1. Синтез намагниченного сорбента 1……………………………………….33

2.2.2. Синтез намагниченного сорбента 2……………………………………….33

2.2.3. Синтез намагниченного сорбента 3……………………………………….33

2.2.4. Синтез намагниченного сорбента 4……………………………………….33

2.2.5. Синтез намагниченного сорбента 5……………………………………….33

2.2.6. Синтез намагниченного сорбента 6……………………….……………….33

2.2.7. Синтез намагниченного сорбента 7……………………….……………….34

2.3. Методики анализа…………………………………………………………………34

2.3.1. Определение содержания Fe(II) при помощи количественного анализа..34

2.3.2. Определение содержания Fe(III) при помощи количественного анализа 34

2.3.3. Определение содержания Fe(II) и Fe(III) в осадке, образующемся при соосаждении гидроксидов при помощи количественного анализа…….35

2.3.4. Упрощенный метод определения поверхности по адсорбции воздуха….35

2.3.5.Эктронномикроскопическое исследование………………………………..36

2.3.6.  Рентгенографическое исследование………………………………………37

 2.3.7. Дериватографичеекое исследование……………………………………...37

3.      Результаты и их обсуждение……………………………………………………….…38

      3.1. Рентгенофазовое исследование……………………………………………….….38

3.2. Количественный анализ……………………………………………………….….40

3.3. Изотермы адсорбции……………………………………………………………...41

3.4. Электронная микроскопия ……………………………………………………….43

3.5. Удельная поверхность…………………………………………………………….46

3.6. Намагниченность……………………………………………………………...….47

3.7. Дериватографическое исследование……………………………………………50

Выводы……………...................................................................................................................51

Литература………......................................................................................................................52

Резюме…………………………………………………………………………………………57

Приложение …………………………………………………………………………………..58

Введение

Данная дипломная работа посвящена синтезу и изучению магнитных сорбентов, представляющих собой магнитный (либо намагниченный) материал с высокими адсорбционными свойствами.

Преимущество таких адсорбентов по сравнению с обыкновенными (не магнитными) состоит в том, что обладая высокой сорбционной емкостью они могут управляться при помощи магнитного поля. Адсорбенты с магнитными свойствами применяют­ся для контактной очистки веществ, что существенно упрощает адсорбционный процесс и полноту отра­ботки адсорбента, исключает стадию отделения отработанного адсорбента от раствора, являющуюся одной из трудоемких, заменив ее магнитной сепарацией. Магнитные сорбенты уже широко используются для очистки сточных вод, сбора нефти с поверхности водоемов и в медицине (очищают костный мозг и др.) [1-8].

Придание сорбентам магнитных свойств может обеспечить значительное повышение эффективности их использования, поскольку открывается возможность вводить сорбенты в очищаемую среду в виде дисперсной фазы при контролируемой поверхности межфазного контакта и извлекать из среды физическим методом. Известно [8], что придание сорбентам магнитных свойств обычно не снижает емкости и селективности сорбции, а в ряде случаев улучшает эти характеристики, повышая также скорость процесса сорбции – десорбции. Известно также, что магнитные сорбенты способны улучшать ионообменные свойства почв, что указывает на возможность использования материалов данного типа для направленного изменения свойств биологических систем.

Использование данных адсорбентов не ограничивается ука­занными областями их применения, тем более что они с техно­логической точки зрения во многих адсорбционных процессах наиболее предпочтительны.

Есть много способов их получения, принципиально отличающихся друг от друга. Большинство из них являются трудоемкими и влекут за собой большие энергетические затраты, что существенно сужает диапазон возможного применения магнитных сорбентов.

На кафедре неорганической химии Белгосуниверситета им. В.И. Ленина в течение нескольких десятков лет проводятся исследования по применению коллоидных систем на основе олова, вольфрама, ванадия, железа и некоторых других металлов для получения пленок и тонких покрытий.

Целью настоящей работы является разработка способа синтеза магнитоуправляемых сорбентов при использовании магнитной жидкости и изучение некоторых их свойств.

Актуальность поставленной в работе задачи подчеркивается потребностью различных областей науки и техники в недорогих магнитоуправляемых сорбентах. Так, магнитоуправляемые сорбенты, используемые для сбора нефти с поверхности водоемов, в медицине и других областях представляют собой дорогостоящие материалы, изготовление которых требует использования сложных технологических процессов и не менее сложного и дорогого оборудования.

Использование именно жидкого материала для пропитки сорбента (и придания ему тем самым магнитных свойств) выгодно отличает предложенный нами способ получения магнитных сорбентов от описанных в литературе [1-7].  Применение различных магнитных жидкостей (в отличие от магнетита определенного состава) позволяет в широких пределах варьировать свойства получаемого сорбента.

Автор считает необходимым выразить признательность к.х.н., научному сотруднику Макс Планк института угольных исследований,  Мюлхайм ан дер Рур, Германия, Матусевич Н.П. и к.х.н., научному сотруднику Академии Наук Беларуси Самускевичу В.В. за помощь в выполнении физико-химических исследований а также за ценные замечания и пожелания высказанные в ходе обсуждения результатов.

1.    Обзор литературы.

1.1.Магнитные сорбенты

1.1.1. Синтез пористых ферритов с применением выгорающих добавок.

Среди большого числа адсорбентов, отличающихся друг от друга структурными параметрами, природой поверхности и соответственно областью применения, особое место занимают пористые тела с магнитными свойствами.

Для решения большинства сорбционных задач требуются адсорбенты с различной пористой структурой, среди которых минеральные пористые вещества занимают основное положение. Во-первых, они во много раз дешевле, доступны и синтез их не требует специального оборудования и дефицитного сырья. Во-вторых, методы получения данных адсорбентов, в том числе и с магнитными свойствами, позволяют в широких пределах регулировать их структуру. Это свидетельствует о необходимости расширения исследований по синтезу адсорбентов, выявлению закономернос­тей механизма их структурообразования, природы поверхности, магнитных и адсорбционно-структурных свойств.

Способы получения указанных пористых материалов в зави­симости от температуры их синтеза методически могут быть под­разделены на две группы. В первой группе они реализованы пу­тем наращивания компонентов шпинельного состава на поверхности коллоидных частиц термостойкого носителя (Т= 700— 750°С) [9], во второй — (Т>750°С) путем применения различ­ного рода выгорающих добавок [10].

Отличие минеральных магнитных адсорбентов от угольных ферромагнитных, как следует из анализа литературы [11-15], состоит в следующем: во-первых, ферромагнитные угольные ад­сорбенты обладают мелкопористой структурой, что существенно ограничивает область их применения, во-вторых, магнитные свой­ства высокодисперсных ферромагнетиков вследствие значитель­ной анизотропии формы частиц железа в данных системах, сте­пени их упаковки как в объеме, так и в поверхностном слое, а также при наличии на поверхности частиц хемосорбированных поверхностно-активных веществ снижают магнитные характе­ристики получаемых адсорбентов [12, 13]. В работе [16] показано, что магнитные свойства веществ сильно зависят от упо­рядоченности активных магнитных частиц, которая для систем с низкой степенью упаковки Р удлиненных частиц сфероидальной формы может быть рассчитана по уравнению [17]:

где Nа и nб  — размагничивающие факторы вдоль короткой и длинной оси частиц. Оценка Р0 для железных частиц дает вели­чину ~ 0,2 [18].

В-третьих, например, в металополимере для достижения необходимой магнитной индукции насыщения Вs и остаточной индукции Вr, как показано в работах [13, 19], требуется до 30% электролитического железа в. В-четвертых, несмотря на относительно высокое содер­жание Fe3O4 в образце, в силу вышеупомянутых факторов, достичь предельной величины магнитных свойств, присущих индивиду­альному оксиду Fe3O4, не удается. При этом следует отметить, что магнитные свойства массивного индивидуального Fe3O4 по срав­нению с другими магнитными материалами не столь высоки.

В отличие от угольных ферромагнитных адсорбентов, синте­зированных на основе дорогостоящих синтетических или природных полимеров, минеральные ферриты как по своим магнит­ным характеристикам, так и по доступности, стоимости исход­ных компонентов, экологичности процесса имеют ряд преиму­ществ: наличие высоких магнитных свойств, отсутствие вредных газовых выбросов при их синтезе, компактное расположение маг­нитных частиц получаемого вещества и т.д. Действие выгорающей добавки [20] заметно сказывается на росте сорбционной емкости, которая по сравнению с исходными образцами увеличилась в два раза.

Влияние исходной структуры гидрогеля с нанесенной шпинельной фазой проявляется в том, что более крупнопорис­тые гидрогели при температуре синтеза ферритов 650°С подвер­жены меньшим структурным изменениям, чем мелкопористые. Безусловно, степень изменения Vs и Sуд сильно зависит от термостабильности носителя. Одна картина будет иметь место при наращивании гидроксида магния на носитель — коллоидные частицы гидроксида железа и другая — при наращивании Fе(ОН)3 на частицы Mg(OH)2, емкость поглощения и термостабильность ко­торого по сравнению с Vs гидроксида железа примерно в 2 раза выше. Это уже само по себе, не прибегая к применению структу­рирующих добавок, позволит в определенных пределах варьиро­вать структуру, а соответственно и сорбционные свойства синте­зируемых ферритсодержащих адсорбентов.

1.1.2. Неорганические магнитонаполненные адсорбенты

Наряду с изучением адсорбентов-ферритов с развитой пористой структурой представляют интерес адсорбенты с маг­нитными свойствами, полученные путем механического смеши­вания или совместного осаждения магнитных порошков с гидроксидами металлов. Этот метод синтеза по сравнению с другими имеет ряд преимуществ. Во-первых, использование магнитных порошков позволяет за счет структуры матрицы регулировать пористость и удельную поверхность синтезируемых магнитных адсорбентов в желаемом направлении. Во-вторых, в зависимости от процентного содержания магнитного порошка в составе об­разца и величины его намагниченности можно изменять струк­турные и физико-химические свойства получаемых адсорбентов в достаточно широких пределах.

Кроме того, данный метод получения адсорбентов с магнит­ными свойствами дает возможность в достаточно широких пре­делах регулировать структуру матрицы, а соответственно и струк­турные параметры синтезированных образцов [21, 22]. Все это наряду со специфическими свойствами указанных адсорбентов расширяет возможность их использования в разных сорбционных процессах.

Существует расхождение между теоретическими расчетами и экспериментальными данными. По теории с возрастанием концентрации (20-50%) магнитной компоненты Vs и Sуд  должна уменьшаться, на практике же наблюдается обратное. Причина таких расхож­дений обусловлена участием твердых частиц порошка в формировании структуры адсорбентов. Механизм их действия связан с образованием жесткого каркаса, препятствующего сжатию гидроксида во время сушки. Аналогич­но изменяется и удельная поверхность синтезируемых адсорбен­тов, которые из-за наличия более открытой структуры несколько выше теоретически рассчитанной.

Условия получения адсорбентов оказывают существенное вли­яние на их адсорбционно-структурные характеристики. Одна кар­тина наблюдается при внесении магнитного порошка в отмытый гель с последующим механическим перемешиванием и другая — при внесении порошка в солевой раствор, т.е. перед осаждением гидроксида. Разница заключается в том, что образцы, полученные по второму методу, имеют на 10—12% более высокие значения Vs и удельные поверхности. Причина данных расхождений состоит в том, что при механическом пере­мешивании гидроксида вследствие нарушения гидратных оболо­чек коллоидных частиц происходит неполная стабилизация сис­темы, сопровождающаяся снятием фактора устойчивости отдельных участков поверхности частиц, в результате чего части­цы, слипаясь в этих местах, образуют пространственную сетку, в петлях которой будет находиться дисперсионная среда. При силь­ном падении агрегативной устойчивости между частицами в мес­тах их соприкосновения может происходить полное вытеснение прослоек дисперсионной среды и осуществляться непосредствен­ный контакт между частицами. Причем с повышением частич­ной концентрации количество контактов, приходящихся на еди­ницу объема системы, и скорость взаимодействия частиц возрастают.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7