UDC 544.527.23
INFLUENZA DELLA TEMPERATURA DI CALCINAZIONE SULLE PROPRIETÀ DEL BIOSSIDO DI TITANIO
Balabashčuk. IV.,
Università statale di Kemerovo
Il biossido di titanio è ampiamente utilizzato come assorbente e fotocatalizzatore. L'efficacia del suo utilizzo in una veste o nell'altra è determinata dalla composizione del mezzo disperdente, dalla velocità di fornitura del precursore, dal pH della sintesi, dalla temperatura e dalla durata della calcinazione dell'acido metatitanico.
L'obiettivo del nostro lavoro era studiare l'effetto della temperatura di calcinazione sulle caratteristiche di adsorbimento e fotocatalitica delle particelle di biossido di titanio.
 |
Il biossido di titanio è stato ottenuto mediante idrolisi termica del solfato di titanile con una soluzione di idrossido di potassio. Il titanato di potassio risultante è stato lavato con acqua distillata per rimuovere le impurità cationiche e anioniche. Successivamente il titanato di potassio lavato venne miscelato con una soluzione di acido cloridrico e mantenuto per un'ora ad una temperatura di 90°C. Quindi il precipitato è stato neutralizzato con una soluzione di idrossido di potassio a pH 6, 5,4, 3,2 e calcinato a temperature di 1100°C (R-1100), 900°C (R-900) e 600°C (R-600), rispettivamente. Secondo i risultati dell'analisi di diffrazione dei raggi X, tutti i campioni di biossido di titanio presentano una modificazione del rutilo. Per determinare le caratteristiche di adsorbimento delle particelle di biossido di titanio sintetizzate, un campione del fotocatalizzatore è stato miscelato con una soluzione di coloranti anionici (rosso Congo) e cationici (safranina-T) e lasciato al buio per 24 ore i coloranti sono stati determinati mediante il metodo spettrofotometrico. I risultati dello studio sono presentati nella Figura 1.
Riso. 1. Caratteristiche di adsorbimento e fotocatalitica delle particelle di biossido di titanio nella reazione dei coloranti sbiaditi: a) Rosso Congo,
b) safranina-T.
Si può notare che la migliore prestazione nella reazione di decomposizione fotocatalitica e adsorbimento del colorante anionico Rosso Congo è caratterizzata dal campione R-600 (Fig. 1a), sintetizzato a pH 3,2 e temperatura di calcinazione di 600°C. Un aumento del pH e delle temperature di calcinazione porta ad una diminuzione dei valori delle caratteristiche studiate. Per i campioni R-900 e R-1100 questi valori diminuiscono rispettivamente di 3,5 e 20 volte.
L'adsorbimento del colorante cationico safranina-T procede in modo leggermente diverso (Fig. 1b). Il valore più alto della capacità di assorbimento è dimostrato dal campione R-900. La calcinazione dei campioni ad una temperatura di 1100°C porta ad una diminuzione di 2 volte della capacità di assorbimento. Una diminuzione della temperatura di calcinazione porta alla quasi completa scomparsa della capacità di assorbimento delle particelle di biossido di titanio.
Pertanto, i campioni di biossido di titanio sintetizzati a bassi valori di pH e temperature di calcinazione di 600-900°C hanno le migliori caratteristiche fotocatalitiche e di adsorbimento. L'effetto del trattamento termico e del pH di sintesi sulla capacità di adsorbimento del biossido di titanio può essere associato alla formazione di gruppi ossoidrossido capaci di scambio ionico e ritenzione di molecole coloranti sulla superficie delle particelle di TiO2.
Supervisore scientifico – Dottore in Scienze Chimiche, Professore, "Università statale di Kemerovo"
UDC 677.077.62
M. A. Salyakhova, I. Sh. Abdullin, V. V. Uvaev, E. N. Pukhacheva
STUDIO DELLE PROPRIETÀ DI ADSORBIMENTO DEI MATERIALI COMPOSITI
CON BIOSSIDO DI TITANIO MIGLIORATO
Parole chiave: materiale composito con biossido di titanio incorporato, biossido di titanio, biossido di silicio, assorbimento,
proprietà di adsorbimento.
Le proprietà di adsorbimento di un materiale composito fotocatalitico sono valutate da due indicatori: il valore di equilibrio dell'assorbimento dei vapori saturi di benzene e acetato di etile da parte di campioni di materiale e il volume massimo dello spazio di assorbimento dei campioni di materiale.
Parole chiave: materiale composito con biossido di titanio incorporato, biossido di titanio, silice, proprietà di assorbimento, adsorbimento.
Le proprietà di adsorbimento del materiale composito fotocatalitico sono valutate da due parametri: il valore dell'assorbimento all'equilibrio dei vapori saturi di campioni di materiale di benzene e acetato di etile e il limite del volume dei campioni di materiale spaziale di assorbimento.
IN ultimi anni La ricerca e lo sviluppo di materiali protettivi di nuova generazione e di prodotti da essi realizzati utilizzando nanosistemi si stanno sviluppando intensamente. Il biossido di titanio viene spesso utilizzato nel processo fotocatalitico come uno dei prodotti chimicamente e termicamente più stabili e non tossici. Gli ossidi inorganici di dimensioni nanometriche possono essere utilizzati per disinfettare materiali contaminati da sostanze tossiche pericolose, comprese sostanze tossiche, nonché per purificare l'aria dalle impurità di vapori e gas di sostanze chimiche tossiche.
Il materiale composito è ottenuto formando in sequenza uno strato adsorbente su una base tessile contenente cellulosa, quindi uno strato fotocatalitico. La formazione di uno strato adsorbente su una base tessile contenente cellulosa tessuta o non tessuta avviene utilizzando la tecnologia sol-gel a seguito dell'impregnazione della base tessile con una dispersione acquosa contenente nanoparticelle di ossido di alluminio e essiccazione a temperatura di (100±5) oC. Le particelle di allumina caricate positivamente sono attaccate alla superficie caricata negativamente della base tessile, sia per interazione elettrostatica sia per la ritenzione meccanica delle particelle di allumina da parte della fibra di base tessile. La formazione di uno strato fotocatalitico su una base tessile tessuta contenente cellulosa contenente uno strato adsorbente avviene utilizzando la tecnologia sol-gel a seguito dell'impregnazione di un campione di materiale con una dispersione acquosa contenente un complesso di biossido di silicio e biossido di titanio, asciugando l'impregnato campione a una temperatura di (80-90) oC per 30 minuti, seguito da lavaggio con acqua ed asciugatura a una temperatura di (100±5) oC. La superficie sviluppata di ossido di alluminio fissata sulla superficie della base tessile garantisce una buona adesione del complesso di biossido di silicio con biossido di titanio sulla superficie dello strato adsorbente.
Quando si forma uno strato adsorbente e uno strato fotocatalitico su base tessile,
Le fibre efficaci non vengono danneggiate e la trama della base tessile non cambia.
Un materiale composito fotocatalitico contenente una base tessile tessuta o contenente cellulosa, uno strato fotocatalitico comprendente un complesso di biossido di silicio modificato con ioni alluminato e biossido di titanio modificato con anatasio e uno strato adsorbente contenente ossido di alluminio con una struttura di boemite situato tra lo strato fotocatalitico e la base tessile, caratterizzata da maggiori proprietà di adsorbimento rispetto ai composti chimici polari e non polari, mostra un'elevata attività fotocatalitica e proprietà antibatteriche quando irradiata con luce UV. Una dispersione acquosa di ossido di alluminio viene utilizzata come materiale per formare uno strato adsorbente. La dispersione acquosa contiene particelle nanometriche di ossido di alluminio con una struttura di boemite in una quantità del 9,0-9,5% in peso, soluzione a pH 3,8. Utilizzando la diffrattometria delle polveri, è stato stabilito che l'ossido di alluminio nanometrico ha la struttura cristallina ortorombica della boehmite (y-AОOH) (n. 01-083-1506 nel database PDF-2). L'ossido di alluminio con struttura boemite ha una superficie sviluppata, un'elevata carica elettropositiva, ha proprietà di adsorbimento verso composti chimici polari e non polari e la capacità di intrappolare i microrganismi.
Le proprietà di adsorbimento di un materiale composito fotocatalitico sono valutate da due indicatori: il valore di equilibrio dell'assorbimento dei vapori saturi di benzene e acetato di etile da parte di campioni di materiale e il volume massimo dello spazio di assorbimento dei campioni di materiale in condizioni di attività statica ad una temperatura di 25 °C. Le proprietà di adsorbimento del materiale composito fotocatalitico a base di tessuto di cotone sono presentate nelle Tabelle 1 e 2.
Tabella 1 - Proprietà di adsorbimento del materiale composito fotocatalitico a base di tessuto di cotone
benzene fotocatalitico
materiale composito,%
Foto- Connetti- Adsor- Uguale- Limite-
volume della molla piegata catalitica SiO2mo
congestione difi- (valore Y mangiamo sorb-
assorbimento di TiO2, ziro-A1OOH).
bagno di anatasio e boehmite AS, mg/g pro-
A1(OH)4- paesi
25 25 50 104 118
Il valore di equilibrio dell'assorbimento dei vapori saturi di un composto chimico da parte di un campione di materiale è determinato come il rapporto tra la quantità di vapori di un composto chimico assorbiti da questo campione e la massa del campione. Il volume massimo dello spazio di assorbimento di un campione di materiale viene calcolato in base al valore di equilibrio di assorbimento e alla densità del composto chimico.
Tabella 2 - Proprietà di adsorbimento del materiale composito fotocatalitico a base di tessuto di cotone
Come si vede dagli esempi riportati nelle Tabelle 1 e 2, il materiale composito con incorporato biossido di titanio è caratterizzato da maggiori proprietà di adsorbimento nei confronti di composti chimici polari e non polari a causa di un aumento dell'area superficiale disponibile di due adsorbenti - ossidi nanodispersi di silicio e alluminio.
Letteratura
1. Materiale filtrante e assorbente con un fotocatalizzatore incorporato / M.A. Salyakhova [et al.] // Bollettino dell'Università tecnologica di Kazan. -2013.t.16. N. 23. - pp. 52-53.
2. Distruzione fotochimica di materiali tessili / M.A. Salyakhova [et al.] // Bollettino dell'Università tecnologica di Kazan. -2013.t.16. N. 17. - Dal 92-93.
3. Shabanova, N.A. Chimica e tecnologia degli ossidi nanodispersi [Testo] / N.A. Shabanova, V.V. Popov, P.D. Sarkisov - M.: ICC “Academkniga”, 2007. - 309 p.
Fotocatalizzatore TiO2, anatasio Legante SiO2 modificato A1(OH)4- Adsorbente (Y- A1OOH) boehmite Valore di assorbimento di equilibrio aS, mg/g Volume limite dello spazio di assorbimento WS, cm3/g
25 25 50 134 152
25 30 45 130 148
25 35 40 128 145
30 30 40 126 143
30 35 35 122 139
35 35 30 119 135
© M. A. Salyakhova - asp. dipartimento plasmachimica e nanotecnologie di materiali ad alto peso molecolare KNRTU, [e-mail protetta]; I. Sh. Abdullin - Dottore in Ingegneria. Scienze, prof., preside. dipartimento plasmachimica e nanotecnologie di materiali ad alto peso molecolare KNITU, ab(M1t^@k51i.gi; V.V. Uvaev - Candidato di scienze chimiche, direttore generale di JSC KazKhimNII; E.N. Pukhacheva - Candidato di scienze tecniche, ricercatore senior, laboratorio n. 5, KazKhimNII [e-mail protetta].
©M. A. Salyahova - post-laurea della cattedra di plasmachimica e nanotecnologie dei materiali ad alto peso molecolare KNRTU, [e-mail protetta]; I. Sh. Abdullin - dottore in scienze tecniche, professore della cattedra di plasmachimica e nanotecnologie dei materiali ad alto peso molecolare KNRTU, e [e-mail protetta]; V. V. Uvaev - candidato alle scienze tecniche, direttore generale dell'Istituto di ricerca scientifica chimica di Kazan; E. N. Pukhacheva - candidata di scienze tecniche, ricercatrice senior del laboratorio dell'Istituto di ricerca scientifica chimica di Kazan, [e-mail protetta].
Biossido di titanio. Proprietà, applicazione. Modalità di ottenimento.
Biossido di titanio puro (TiO2)è un solido cristallino incolore. Anche se incolore, in grandi quantità il biossido di titanio è un pigmento bianco estremamente efficace se ben purificato. Il TiO2 praticamente non assorbe la luce incidente nella regione visibile dello spettro. La luce viene trasmessa o rifratta attraverso il cristallo o riflessa sulle superfici.
TiO2è un pigmento stabile (il più stabile tra tutti i pigmenti bianchi conosciuti), non volatile, insolubile in acidi, alcali e soluzioni in condizioni normali. Il biossido di titanio è caratterizzato da un'elevata resistenza alla reazione a vari composti, compresi quelli tossici, contenuti nell'aria. A causa della sua inerzia, il biossido di titanio non è tossico ed è generalmente considerato una sostanza molto sicura. Può venire a contatto con gli alimenti confezionati e in determinate concentrazioni può essere utilizzato anche come colorante alimentare.
TiO2- polimorfico e si presenta in tre forme cristalline principali. Ne esistono tre forme, anatasio (ottaedrite), rutilo e brookite, quest'ultima è rara in natura e, sebbene questa forma sia preparata in laboratorio, non riveste alcun interesse commerciale.
Il biossido di rutilo è circa il 30% migliore nel diffondere la luce (potere coprente) rispetto al biossido di anatasio, quindi quest'ultimo viene utilizzato molto meno frequentemente. Inoltre, l'anatasio è meno resistente agli agenti atmosferici rispetto al rutilo. L'anatasio funziona molto peggio nel proteggere il polimero (acrilato, plastica) dai raggi UV e porta alla fotocatalisi e alla perdita delle proprietà del polimero (si verifica distruzione, scolorimento, sfarinamento, ecc.).
Potere dispersivo
la capacità di un pigmento di riflettere la luce proveniente dalla parte visibile dello spettro a determinate lunghezze d'onda. Questo indicatore per il biossido di titanio dipende direttamente dal diametro delle particelle di TiO2. Con una dimensione delle particelle di 0,2 µm la somma della luce diffusa per tutte le lunghezze d'onda è massima. Quando la dimensione delle particelle aumenta da 0,25 a 0,3 µm, la diffusione della luce blu diminuisce rapidamente. Ma la dispersione del verde e del rosso rimane praticamente invariata. Tuttavia con un diametro delle particelle di 0,15 µm si ha la massima diffusione del blu, mentre la diffusione del rosso e del verde è significativamente inferiore.
Capacità dell'olio
Questa è la capacità delle particelle di pigmento di trattenere una certa quantità di olio sulla loro superficie. È espresso in grammi per 100 grammi di pigmento e solitamente varia da 10 a 20.
Potere coprente
la capacità di un pigmento, quando distribuito uniformemente in tutto il volume, di rendere invisibile il colore della materia sorgente. Il potere coprente è espresso in grammi di pigmento necessari per rendere invisibile il colore di una superficie di 1 m2. I pigmenti bianchi forniscono copertura disperdendo le lunghezze d'onda della luce di qualsiasi lunghezza nello spettro visibile. Più basso è questo indicatore, minore è il tasso di consumo del biossido di titanio nella composizione.
Colore
la proprietà dei corpi di provocare una certa sensazione visiva secondo la composizione spettrale e l'intensità della radiazione visibile da essi riflessa o emessa. Il biossido di titanio secco è caratterizzato da elevata luminosità, candore e la sua riflettività è vicina a quella di un diffusore ideale.
Solidità alla luce
la proprietà di un materiale di mantenere il proprio colore quando esposto ai raggi luminosi. Durante il funzionamento, i prodotti, soprattutto per uso esterno, cambiano il loro colore originale sotto l'influenza dei raggi ultravioletti provenienti dalla luce naturale e da fonti di illuminazione artificiale che emettono raggi ultravioletti.
Resistenza agli agenti atmosferici
la proprietà delle composizioni polimeriche di resistere agli effetti distruttivi della luce solare, della pioggia, del gelo, della neve, del vento e di altri fattori atmosferici (ad esempio gas e polvere che inquinano gli strati inferiori dell'atmosfera).
Il trattamento superficiale è necessario per aumentare la resistenza alle influenze esterne. Inorganico (Al2O3, SiO2) aumenta la resistenza delle particelle di biossido di titanio all'attacco degli acidi, che può portare alla distruzione delle particelle di pigmento. Il trattamento organico migliora la distribuzione delle particelle di pigmento in tutta la composizione.
Proprietà fisiche del biossido di titanio
Il biossido di titanio puro è una sostanza cristallina incolore che diventa gialla quando riscaldata. Allo stato finemente frantumato è una polvere bianca. Praticamente insolubile in acqua e acidi minerali, ad eccezione dell'acido fluoridrico e solforico concentrato. Punto di fusione del rutilo: 1870°C. Punto di ebollizione del rutilo: 2500°C. Densità a 20°C per rutilo: 4,235 g/cm3.
Proprietà chimiche del biossido di titanio
Il biossido di titanio è un ossido anfotero, cioè presenta proprietà sia acide che basiche.
Reagisce lentamente con l'acido solforico concentrato, sciogliendosi in esso per formare il corrispondente solfato:
TiO2+2H2SO4 = Ti(SO4)2 + 2H2O
Inoltre, il biossido di titanio si dissolve gradualmente in soluzioni concentrate di alcali, ad esempio nell'idrossido di sodio, formando titanati (derivati dell'acido titanico):
TiO2 + 2NaOH = Na2TiO3+ H2O
Quando il biossido di titanio viene riscaldato in un'atmosfera di ammoniaca, si forma il nitruro di titanio:
4TiO2 + 4NH3 = 4TiN + 6H2O + O2
Con forti agenti riducenti, ad esempio metalli attivi (Ca, Mg, Na), carbonio o idrogeno ad alte temperature, il biossido di titanio viene ridotto a ossidi inferiori. Quando riscaldato con carbonio in un'atmosfera di cloro, si forma il tetracloruro di titanio TiCl4: questa tecnica viene utilizzata su scala industriale per purificare il titanio da vari tipi di impurità.
Proprietà tossiche del biossido di titanio
Essendo chimicamente inerte, il biossido di titanio è una sostanza a basso rischio. Può entrare nel corpo sotto forma di aerosol attraverso l'inalazione o l'ingestione.
Applicazioni
Materiali per pitture e vernici:
pitture decorative e architettoniche; vernici semiopache a emulsione; vernici lucide a emulsione; primer, substrati, stucchi; Vernici a solvente – lucide; soluzioni di gesso; vernici ai silicati; rivestimenti per materiali in legno; malta cementizia per intonaco; vernici industriali; intonaci a base di resine sintetiche; rivestimenti polimerici; vernici per lavori di riparazione; vernici in polvere a grana fine; uv/uv - vernici curabili; vernici polimerizzate con induritore acido; rivestimenti in polvere; rivestimenti in poliuretano; rivestimenti epossidici; vernici per segnaletica orizzontale; vernici per rivestimenti marini; vernici altamente riempite; vernici elettrodepositate; inchiostri da stampa.
Materie plastiche:
cloruro di polivinile ad alta resistenza (per interni); gomma; termoplastico; plastica termoindurente; materie plastiche a base di poliesteri insaturi; elastomeri, gomma; rivestimenti per pavimenti (linoleum)
Carta e cartone:
rivestimenti di carta; carta da parati; carta paraffinata; carta colorata
Fibre/tessuti sintetici:
per opacizzare fibre ritorte
Cosmetici:
dentifricio, sapone, ecc.
Industria alimentare:
caramello, gomma da masticare, zucchero a velo e raffinato, cosce di rana, lingue di pollo, maiale e manzo, maialini da latte, farina, pasta, glassa di zucchero, marmellate, frappè, formaggio feta, siero di latte, latte condensato, qualsiasi prodotto a base di pesce e frutti di mare, ecc. D.
Industria farmaceutica:
pigmento biossido di titanio, di elevata purezza chimica, per conferire elevato effetto sbiancante e coprente nei prodotti farmaceutici.
Inchiostro da stampa:
per aumentare la resistenza dei rivestimenti agli influssi atmosferici
Catalizzatore:
Il biossido di titanio può essere utilizzato come catalizzatore, come fotocatalizzatore e come materiale di base ceramico inerte per componenti attivi.
Altri ambiti di utilizzo:
conservazione del legno (aumento della resistenza agli agenti atmosferici mediante filtrazione ottica delle radiazioni solari dannose per il legno), gomma di riempimento, smalti per vetro, vetro e vetroceramica, elettroceramica, purificazione dell'aria, flussi di saldatura, leghe dure, intermedi chimici, materiali contenenti biossido di titanio, idonei all'uso ad alte temperature (ad esempio protezione antincendio per forni a tiraggio forzato), cromatografia analitica e sperimentale di liquidi, calcestruzzo decorativo (per conferire bianchezza alla vernice cementizia)
Principali usi del biossido di titanio:
produttori di pitture e vernici, in particolare bianco di titanio - 57% del consumo totale (il biossido di titanio della modificazione del rutilo ha proprietà dei pigmenti più elevate - resistenza alla luce, capacità sbiancante, ecc.)
produzione di plastica - 21%
produzione di carta plastificata - 14%
Altri usi del biossido di titanio sono nella produzione di prodotti in gomma, nella produzione del vetro (vetro ottico e resistente al calore), come refrattario (rivestimento di elettrodi di saldatura e rivestimenti di stampi per fusione), nei cosmetici (sapone, ecc.), nell'industria industria alimentare (additivo alimentare E171).
Il biossido di titanio può essere utilizzato per realizzare celle solari: trasformazione luce solare in elettricità; per la produzione di idrogeno; nel campo dell'elettronica per pseudo-condensatori, ecc.
Modalità di ottenimento
I pigmenti di biossido di titanio esistono in due forme: anatasio e rutilo e sono prodotti secondo due schemi tecnologici: metodi al solfato e al cloro.
Rispetto al metodo del cloruro di solfato, è più rispettoso dell'ambiente e avanzato grazie alla capacità di eseguire il processo in modalità continua, il che implica la completa automazione della produzione. Tuttavia, è selettivo nelle materie prime e, a causa dell'uso di cloro e delle alte temperature, richiede l'uso di attrezzature resistenti alla corrosione.
Metodo del cloro:
Il metodo del cloro per produrre biossido di titanio prevede che la materia prima di partenza (prodotto semilavorato) sia il tetracloruro di titanio. Da esso si può ottenere il biossido di titanio mediante idrolisi o combustione ad alte temperature. Il tetracloruro di titanio si idrolizza quando le soluzioni acquose vengono riscaldate o nella fase gassosa sotto l'influenza del vapore acqueo.
Metodo del solfato:
La tecnologia di produzione si compone di tre fasi:
ottenere soluzioni di solfato di titanio (trattando i concentrati di ilmenite con acido solforico). Il risultato è una miscela di solfato di titanio e solfati di ferro (II) e (III), questi ultimi ridotti con ferro metallico allo stato di ossidazione del ferro +2. Dopo il recupero, le soluzioni di solfato vengono separate dai fanghi utilizzando filtri a tamburo sottovuoto. Il solfato di ferro (II) viene separato in un cristallizzatore sotto vuoto.
idrolisi di una soluzione di sali di solfato di titanio.
L'idrolisi viene effettuata introducendo semi (vengono preparati facendo precipitare Ti(OH)4 da soluzioni di solfato di titanio con idrossido di sodio). Nella fase di idrolisi, le particelle risultanti di idrolizzato (biossido di titanio idrati) presentano un'elevata capacità di adsorbimento, soprattutto nei confronti dei sali Fe3+, è per questo motivo che nella fase precedente il ferro ferrico viene ridotto a bivalente;
Variando le condizioni di idrolisi (concentrazione, durata delle fasi, numero di embrioni, acidità, ecc.), è possibile ottenere la resa di particelle idrolizzate con le proprietà desiderate, a seconda dell'applicazione prevista. trattamento termico del biossido di titanio idrato. In questa fase, variando la temperatura di essiccazione e utilizzando additivi (come ossido di zinco, cloruro di titanio e utilizzando altri metodi, è possibile effettuare la rutilizzazione (cioè la ristrutturazione dell'ossido di titanio nella modificazione rutilica). Per il trattamento termico, rotativa Vengono utilizzati forni a tamburo con una lunghezza di 40-60 m. Durante il trattamento termico, l'acqua evapora (l'idrossido di titanio e gli idrati di ossido di titanio vengono convertiti nella forma di biossido di titanio), così come il biossido di zolfo.
Produzione
biossido di titanio
Negli ultimi anni, la produzione di biossido di titanio in Cina è cresciuta in modo estremamente rapido.
Il terzo giacimento di rutilo più grande al mondo si trova nel distretto di Rasskazovsky nella regione di Tambov. Grandi giacimenti si trovano anche in Cile (Cerro Bianco), nella provincia canadese del Quebec e in Sierra Leone.
Nel mondo moderno, l'industria del titanio si sta sviluppando rapidamente. È la fonte di un gran numero di sostanze utilizzate in vari settori.
Caratteristiche del biossido di titanio
Il biossido di titanio ha molti nomi. È un ossido anfotero di titanio tetravalente. Sta giocando ruolo importante nello sviluppo dell’industria del titanio. Solo il 5% del minerale di titanio viene utilizzato per la produzione di ossido di titanio.
Esistono numerose modifiche del biossido di titanio. In natura esistono cristalli di titanio che hanno la forma di un rombo o di un quadrilatero.
La formula del biossido di titanio è presentata come segue: TiO2.
Il biossido di titanio è ampiamente utilizzato in vari settori. È conosciuto in tutto il mondo come additivo alimentare come l'E-171. Tuttavia, questo componente ha una serie di effetti negativi, che potrebbero indicare che il biossido di titanio è dannoso per il corpo umano. Questo componente è noto per avere proprietà sbiancanti. Questo può essere utile nella produzione di detersivi sintetici. Il danno al corpo umano causato da questo integratore alimentare rappresenta una minaccia per il fegato e i reni.
Nell'industria alimentare esiste la possibilità di danni causati dal biossido di titanio. Se utilizzato in eccesso, il prodotto potrebbe acquisire una tonalità indesiderata che non farà altro che respingere i consumatori.
Il biossido di titanio ha un livello di tossicità abbastanza basso.
Potrebbe diventare tossico quando interagisce con altri componenti di qualsiasi prodotto. L'uso di prodotti contenenti alti livelli di tossine può portare ad avvelenamento o addirittura alla morte. Pertanto, è molto importante sapere con quali elementi non dovresti usare l'ossido di titanio.
Proprietà del biossido di titanio
Il biossido di titanio ha un gran numero di proprietà caratteristiche. Determinano la possibilità del suo utilizzo in vari settori. Il biossido di titanio ha le seguenti proprietà:
- ottimo grado di sbiancamento di varie tipologie di materiali,
- interagisce bene con le sostanze destinate a formare una pellicola,
- resistenza a alto livello umidità e condizioni ambientali,
- basso livello di tossicità,
- elevato livello di resistenza dal punto di vista chimico.
Preparazione del biossido di titanio
Ogni anno nel mondo vengono prodotte più di cinque milioni di tonnellate di biossido di titanio. Recentemente, la Cina ha notevolmente aumentato la propria produzione. I leader mondiali nella produzione di questa sostanza sono Stati Uniti, Finlandia e Germania. Sono questi stati che hanno grandi opportunità per ottenere questo componente. Lo esportano in diversi paesi pace.
Il biossido di titanio può essere ottenuto con due metodi principali:
1. Produzione di biossido di titanio dal concentrato di ilmenite.
SU imprese manifatturiere Il processo per ottenere l'ossido di titanio è quindi suddiviso in tre fasi. Nel primo di essi, i concentrati di ilmenite vengono lavorati utilizzando acido solforico. Di conseguenza, si formano due componenti: solfato ferroso e solfato di titanio. Quindi aumenta il livello di ossidazione del ferro. Filtri speciali separano solfati e fanghi. Nella seconda fase, i sali di solfato di titanio vengono idrolizzati. L'idrolisi viene effettuata utilizzando semi di soluzioni di solfato. Di conseguenza, si formano idrati di ossido di titanio. Nella terza fase vengono riscaldati ad una certa temperatura.
2. Produzione di biossido di titanio dal tetracloruro di titanio.
In questo tipo di ottenimento di una sostanza, esistono tre metodi che vengono presentati:
- idrolisi di soluzioni acquose di tetracloruro di titanio,
- idrolisi in fase vapore del tetracloruro di titanio,
- trattamento termico del tetracloruro di titanio.
Tavolo. Produttori di biossido di titanio.
| Impresa | Volumi di produzione, migliaia di tonnellate |
|---|---|
| Tecnologie DuPont Titanium | 1150 |
| Co. nazionale del biossido di titanio | n / a |
| Ltd. (Cristallo) | 705 |
| Pigmenti del cacciatore | 659 |
| Tronox, Inc. | 642 |
| Kronos Worldwide, Inc. | 532 |
| Sachtleben Chemie GmbH | 240 |
| Ishihara Sangyo Kaisha, Ltd | 230 |
IN mondo moderno L'ossido di titanio viene utilizzato attivamente in vari settori.
Il biossido di titanio ha i seguenti usi:
- Produzione di prodotti vernicianti e vernicianti. Nella maggior parte dei casi, il bianco di titanio viene prodotto sulla base di questo componente.
- utilizzo nella produzione di materie plastiche.
- produzione di carta laminata,
- Produzione di prodotti cosmetici decorativi.
L'ossido di titanio ha trovato ampia applicazione anche nell'industria alimentare. I produttori lo aggiungono ai loro prodotti come uno dei componenti dei coloranti di tipo alimentare. Non è praticamente evidente nei prodotti alimentari. I produttori lo aggiungono a quantità minime in modo che i loro prodotti siano conservati meglio e abbiano un aspetto attraente.
JORNALE DI CHIMICA FISICA, 2015, volume 89, n. 1, p. 133-136
FOTOCHIMICA E MAGNETOCHIMICA
UDC 544.526.5+549.514.6.352.26
ATTIVITÀ FOTOCATALITICA E PROPRIETÀ DI ASSORBIMENTO DEL BIOSSIDO DI TITANIO MODIFICATO DI CALCIO © 2015 T.A. Khalyavka, N.N. Tsyba, S.V. Kamyshan, E.I. Kapino
Accademia Nazionale delle Scienze dell'Ucraina, Istituto per i problemi di assorbimento ed endoecologia, Kiev
E-mail: [e-mail protetta] Ricevuto dall'editore il 02/05/2014
Sono stati sintetizzati campioni mesoporosi di biossido di titanio modificato con calcio. Sono state studiate le loro proprietà strutturali, fotocatalitiche e di assorbimento. È stato stabilito che i campioni modificati differiscono dal biossido di titanio nelle loro caratteristiche e proprietà: l'area superficiale specifica e il volume medio dei pori aumentano e il raggio medio dei pori diminuisce; aumenta l'attività fotocatalitica e di assorbimento nei confronti dei coloranti e dell'anione bicromato.
Parole chiave: biossido di titanio, calcio, fotocatalisi, assorbimento, coloranti, anione dicromato. DOI: 10.7868/S0044453715010124
Nel metodo fotocatalitico per purificare le soluzioni acquose da sostanze tossiche, nella maggior parte dei casi viene utilizzato il biossido di titanio, che è un catalizzatore economico e non tossico. Inoltre, dopo il completamento della reazione, può essere facilmente separato dalla soluzione mediante filtrazione o centrifugazione. Attualmente, i metodi fotocatalitici per rimuovere sostanze nocive dalle soluzioni acquose utilizzando biossido di titanio stanno diventando sempre più importanti.
Lo svantaggio principale di questo fotocatalizzatore è la sua attività non sufficientemente elevata. Sono noti vari metodi per aumentarne la fotoattività, ad esempio aumentando l'adsorbimento del substrato o aumentando la costante di velocità cinetica. L'adsorbimento può essere aumentato aumentando l'area superficiale specifica, la capacità del monostrato, il volume dei pori e la costante di velocità cinetica separando le cariche e riducendo la velocità di ricombinazione della coppia elettrone-lacuna.
Lo scopo del lavoro è ottenere e studiare campioni di biossido di titanio modificato con il metodo del citrato di calcio, che sono caratterizzati da un'elevata area superficiale specifica, struttura mesoporosa e aumentata attività fotocatalitica nelle reazioni di distruzione dei coloranti e fotoriduzione dell'anione bicromato.
SPERIMENTALE
Per ottenere campioni di biossido di titanio modificati con calcio utilizzando il metodo del citrato
sono state preparate le miscele iniziali: polimero di tetrabutossi titanio (IV) (Aldrich) (3 g), acido citrico (0,06 g), glicerina (2 ml) e additivi di cloruro di calcio - 0,05 g, 0,1, 0,2, 0,5 e 1 g , rispettivamente, i campioni ottenuti sono designati come 1Ca/1O2, 2Ca/1O2, 3Ca/1O2, 4Ca/1O2, 5Ca/1O2. Per ottenere il biossido di titanio puro abbiamo preso la stessa miscela, ma senza l'aggiunta del sale di cloruro di calcio. Questo metodo di sintesi consente di variare facilmente i rapporti dei componenti nei campioni.
Le miscele furono calcinate a 500°C per 2 ore in presenza di ossigeno atmosferico in un forno a muffola ad una velocità di riscaldamento di 2 K/min. Dopo raffreddamento, le polveri risultanti sono state accuratamente macinate fino ad ottenere una massa omogenea.
L'analisi di fase dei raggi X è stata eseguita su un diffrattometro DR0N-4-07 (Russia) con radiazione Cu^ (con anodo di rame e filtro di nichel) in un fascio riflesso e geometria di registrazione secondo Breguet-Brentano (2© = 10- 70°). La dimensione media dei cristalliti è stata determinata dall'allargamento della banda più intensa utilizzando l'equazione di Debye-Scherrer: D = 0,9X/(B x cos©), dove 0,9 è una costante, X è la lunghezza d'onda, nm. Le dimensioni dei cristalliti sono state determinate dai picchi più intensi caratteristici dell'anatasio.
L'area superficiale specifica dei campioni 05ud), nonché la distribuzione dei pori, sono state determinate utilizzando un dispositivo Quantachrom NovaWin2. L'area superficiale specifica dei campioni (Ssp) è stata determinata mediante il metodo Brunauer-Emmett-Teller (BET) utilizzando isoterme di assorbimento-desorbimento di azoto. Il raggio dei pori (R) e il volume dei pori (V) sono stati calcolati dai rami di desorbimento delle isoterme utilizzando il metodo Barret-Joyner-Halenda.
HALYAVKA, ecc.
Riso. 1. Schemi di diffrazione dei campioni ottenuti: 1 - TiO2, 2 - 3Ca/TiO2, 3 - 5Ca/TiO2. Per altre designazioni, vedere il testo.
Riso. Fig. 2. Isoterme di assorbimento-desorbimento di azoto ottenute a 20°C per i campioni: 1 - 5Ca/TiO2, 2 - 4Ca/TiO2, 3 - 3Ca/TiO2, 4 - TiO2.
L'attività fotocatalitica è stata studiata utilizzando l'esempio di reazioni modello di distruzione dei coloranti safranina T e rodamina, nonché la fotoriduzione dell'anione dicromato in soluzioni acquose con un contenuto di fotocatalizzatore pari a 2 g/l di soluzione. L'irradiazione è stata effettuata con una lampada al mercurio BUV-30 con un massimo di radiazione a 254 nm a temperatura ambiente in un reattore cilindrico al quarzo dotato di un agitatore meccanico azionato elettricamente. La variazione nella concentrazione del colorante è stata monitorata spettrofotometricamente (Lambda 35, PerkinElmer Instruments).
DISCUSSIONE DEI RISULTATI
La struttura cristallina dei campioni è stata studiata utilizzando l'analisi di fase a raggi X (Fig. 1). I modelli di diffrazione di tutti i campioni contengono riflessi intensi e chiaramente definiti caratteristici del reticolo cristallino dell'anatasio (A). Pertanto, nel modello di diffrazione del campione di biossido
Tabella 1. Caratteristiche del campione
Campione Bud, m2/g Ksr, cm3/g Gsr, nm
TiO2 43,4 0,13 5,89
1Ca/TiO2 46,7 0,13 5,4
2Ca/TiO2 71,2 0,14 4,8
3Ca/TiO2 75,3 0,15 4.1
4Ca/TiO2 83,9 0,18 4,25
5Ca/TiO2 76,2 0,19 5
Denominazioni: Bud - superficie specifica, Usr - volume medio dei pori, gsr - raggio medio.
Il titanio mostra la presenza di intensi picchi 20 = 25,5, 37,8, 54,0, 55,0, che sono attribuiti alla fase anatasio (Fig. 1).
Il lavoro afferma che nelle polveri di biossido di titanio modificate con vari ioni di metalli alcalino terrosi è presente solo la fase anatasio, cosa che gli autori spiegano con il basso contenuto di modificanti nei loro campioni. Contrariamente a questo lavoro, nel nostro caso (Fig. 1) sono stati rilevati anche i picchi 20 = 27,4, 41,2, che appartengono alla fase rutilo (P).
Per i campioni modificati, si osservano picchi a 20 = 31, che sono caratteristici della brookite (B). La loro intensità aumenta con l'aumentare del contenuto di calcio nelle polveri. Gli stessi picchi sono stati riscontrati dagli autori per film di TiO2 modificati con ioni calcio.
Le dimensioni dei cristalliti negli agglomerati di biossido di titanio, calcolate utilizzando l'equazione di Debye-Scherrer, sono di 9 nm, nel caso di campioni modificati, il loro valore aumenta a 12,4 nm, il che è coerente con i dati di letteratura, poiché la presenza di modificanti accelera la cristallizzazione del biossido di titanio; biossido di titanio e porta ad un aumento delle dimensioni dei cristalliti.
Lo studio delle isoterme di assorbimento-desorbimento dell'azoto ottenute a 20°C per i campioni sintetizzati ha mostrato la presenza di un ciclo di isteresi (Fig. 2), che indica la struttura mesoporosa delle polveri.
La superficie specifica dei campioni modificati raddoppia rispetto al biossido di titanio puro (Tabella 1). Nella serie di campioni da TiO2 a 5Ca/TiO2 (Tabella 1), il valore del volume medio dei pori aumenta da 0,13
ATTIVITÀ FOTOCATALITICA
a 0,19 cm3/g, ed il raggio medio dei pori, al contrario, diminuisce da 5,89 a 5 nm. L'area di distribuzione della dimensione dei pori è mostrata in Fig. 3. Come si può vedere, per i campioni 4Ca/TiO2 e 3Ca/TiO2 si osserva una distribuzione dei pori più stretta rispetto al biossido di titanio puro e al campione con la maggiore quantità di calcio - 5Ca/TiO2.
Per determinare le condizioni ottimali per la distruzione delle sostanze tossiche nelle soluzioni acquose, è importante studiare la cinetica del loro assorbimento sui fotocatalizzatori. Si è scoperto che l'equilibrio di assorbimento nel sistema fotocatalizzatore - safranina T è stato stabilito in circa 1 ora, e per i sistemi fotocatalizzatore - rodamina e fotocatalizzatore - bicromato di potassio in 2 ore.
Gli studi effettuati hanno dimostrato che per tutti gli agenti adsorbenti e adsorbenti studiati, le curve di adsorbimento cinetico hanno il consueto carattere regolare: un andamento regolare e piccoli valori di adsorbimento (Tabella 2).
In tutti i casi studiati, la reazione fotocatalitica è descritta in modo soddisfacente da un'equazione cinetica del primo ordine.
Per determinare la quantità ottimale di fotocatalizzatore nelle reazioni studiate, la loro concentrazione è stata aumentata mentre la concentrazione del substrato è rimasta invariata. Si è scoperto che a una bassa concentrazione di fotocatalizzatore (<2 г/л) наблюдается рост констант скорости деструкции красителей и фотовосстановления бихромат-аниона с увеличением содержания фотокатализатора в растворе с последующим выходом на плато при концентрациях фотокатализатора вблизи 2 г/л. Все последующие фотокаталитические реакции проводили при концентрации фотокатализатора 2 г/л.
Nella serie da 1Ca/TiO2 a 4Ca/TiO2 si osserva un aumento dell'attività fotocatalitica nelle reazioni di distruzione del colorante (Tabella 2). Pertanto, la costante di velocità della distruzione fotocatalitica della safranina T aumenta da 3,5 a 5,7 x 10-4 s-1, della rodamina - da 1,7 a 2,5 x 10-4 s-1. Dati simili sono stati ottenuti dagli autori per i campioni
Riso. Fig. 3. Distribuzione della dimensione dei pori per i campioni sintetizzati: 1 - 4Ca/TiO2, 2 - 3Ca/TiO2, 3 - 5Ca/TiO2, 4 - TiO2; r - raggio dei pori, Ktot. - volume totale dei pori.
biossido di titanio drogato con ioni calcio utilizzando il metodo sol-gel e titanato di calcio nel lavoro.
Inoltre, nella serie di campioni da 1Ca/TiO2 a 4Ca/TiO2, aumenta la loro capacità di assorbimento nei confronti dei coloranti (Tabella 2), che è associata alle loro caratteristiche strutturali (Tabella 1). Il campione 5Ca/TiO2, rispetto alle polveri 3Ca/TiO2 e 4Ca/TiO2, ha un assorbimento e un'attività fotocatalitica nei confronti dei coloranti significativamente inferiori.
Nel caso della fotoriduzione dell'anione dicromato, il campione 5Ca/TiO2 è risultato essere il più fotocataliticamente attivo (kA = 3,9 x 104, s-1), il che è coerente con il lavoro in cui si è riscontrato che l'aggiunta di titanato di calcio a biossido di titanio
Tabella 2. Attività fotocatalitica k x 104, s 1) e assorbimento (valore di assorbimento A, mg/g) di campioni di biossido di titanio modificati con calcio in relazione ai coloranti e all'anione dicromato
Campione dell'anione Safranin T rodamina bicromato
ky x 10-4, s"1 A x 10 4, mg/g ky x 10-4, s"1 A x 10 4, mg/g ky x 10-4, s"1 A x 10-6, mg /G
BELIKOV M.L., LOKSHIN E.P., SEDNEVA T.A. - 2012
KHALYAVKA T.A., VIKTOROVA T.I., KAPINUS E.I. - 2009
KAPINUS E.I. - 2012
