СИНТЕЗ  И  ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ  СВОЙСТВА  TIO2-ИНТЕРКАЛИРОВАННОЙ  МОНТМОРИЛЛОНИТОВОЙ  ГЛИНЫ

Балабащук  Иван  Валерьевич

аспирант  кафедры  физической  химии  Кемеровского  государственного  университета,  г.  Кемерово

E-mail:  ivgote@yandex.ru

Харченко  Елена  Николаевна

старший  научный  сотрудник,  канд.  хим.  наук  Кемеровского  государственного  университета,  г.  Кемерово,

E-mail:  harchenkoen@gmail.com

Просвиркина  Елена  Владимировна

старший  научный  сотрудник,  канд.  хим.  наук,  доцент  Кемеровского  государственного  университета,  г.  Кемерово

E-mail: 

SYNTHESIS  AND  PHYSICO-CHEMICAL  PROPERTIES  OF  TIO2-PILLARED  MONTMORILLONITE

Balabashchuk  Ivan  Valerjevich

postgraduate,  Kemerovo  State  University,  Kemerovo

Harchenko  Elena  Nikolaevna

senior  researcher,  candidate  of  Chemical  Sciences,  Kemerovo  State  University,  Kemerovo

Prosvirkina  Elena  Vladimirovna

senior  researcher,  candidate  of  Chemical  Sciences,  Associate  Professor,  Kemerovo  State  University,  Kemerovo

Аннотация

Статья  посвящена  синтезу  TiO₂  интеркалированного  монтмориллонита.  Методами  рентгеноструктурного  и  спектрофотометрического  анализа  показано  влияния  рH  синтеза  на  адсорбционные  и  фотокаталитические  свойств  пилларовых  глин.

ABSTRACT

Article  is  devoted  to  the  synthesis  of  TiO₂-intercalated  montmorillonite.  Methods  of  X-ray  and  spectrophotometric  analysis  show  the  influence  of  pH  of  synthesis  on  adsorption  and  photocatalytic  properties  of  pillared  clays. 

Ключевые  слова:  диоксид  титана,  фотокатализ,  монтмориллонит

Keywords:  Titanium  oxide,  photocatalysis,  montmorillonite

Все  большую  популярность  приобретают  природные  адсорбционные  материалы  с  естественной  способностью  к  разложению  адсорбируемых  веществ  [2].  В  тоже  время  широкое  распространение  получают  фотокаталитические  технологии  нейтрализации  загрязнителей.  В  связи  с  этим  перспективным  является  использование  слоистых  алюмосиликатов  типа  монтмориллонита  в  качестве  носителей  фотокаталитически  активных  наночастиц  диоксида  титана.  Использование  субстратных  микрочастиц  с  адсорбционными  свойствами  позволяет  более  эффективно  использовать  фотокатализатор  за  счет  кумулирования  органических  и  неорганических  загрязнителей  на  поверхности  субстрата.  Такая  система  более  безопасна,  поскольку  отсутствуют  свободные  наночастицы  и  полупродукты  фотодеструкции  загрязнителей  —  свободные  радикалы  —  находятся  в  адсорбированном  состоянии. 

Как  известно,  монтмориллонитовая  глина  имеет  структуру  пакета,  состоящего  из  чередующихся  алюмо-и  кремнийкислородных  слоев  [1].  Вследствие  изоморфного  замещения  низковалентными  катионами  более  высоковалентных:  алюминий  на  магний,  или  кремний  на  железо,  слои  имеют  отрицательный  заряд.  Дефицит  заряда  компенсируется  присутствием  ионообменых  катионов,  обычно  Na⁺  или  Ca²⁺  в  межпакетном  пространстве.  Идея  модификации  состоит  в  том,  что  в  структуру  глины  вводятся  гидратированные  катионы  титанила,  которые  после  прокаливания  образуют  нанораспорки,  разделяющие  алюмосиликатные  слои.  В  результате  формируются  трехмерные  галереи,  препятствующие  коллапсу  алюмосиликатных  пакетов.

Рисунок  1.  Схема  синтеза  ТiO₂  интеркалированной  глины

Введение  пилларов  приводит  к  генерации  огромной  площади  удельной  поверхности  (до  400  м²/г),  а  варьирование  параметров  синтеза  позволяет  калибровать  диаметр  пор  под  широкий  круг  органических  и  неорганических  поллютантов.  Целью  данной  работы  был  синтез  и  изучение  влияния  рH  синтеза  на  адсорбционные  и  фотокаталитические  свойств  TiO₂  интеркалированных  глин. 

Основная  часть

На  первом  этапе  эксперимента  навеску  глины  кипятили  с  30  %  раствором  карбоната  натрия  в  течении  3  часов  для  удаления  катионов  Ca²⁺  из  обменных  позиций.  Затем  дисперсию  монтмориллонитовой  глины  фильтровали  и  сушили  при  температуре  150  ^oС  до  постоянной  массы.  Прошедшую  солевую  подготовку  глину  обрабатывали  10%  раствором  сульфата  титана  при  интенсивном  перемешивании  в  течение  6  часов.  После  этого  повышали  температуру  до  90  ^oС  и  медленно  доводили  рН  дисперсии  до  значений  5,  7  и  11.  Затем  дисперсию  глины  фильтровали  и  прокаливали  при  температуре  600  ^oС  в  течение  30  минут. 

Информацию  о  структурных  характеристиках  образцов  TiO₂-ММТ  получали  методом  рентгеноструктурного  анализа  на  дифрактометре  ДР-02  «РАДИАН»  в  медном  фильтрованном  излучении.  Качественный  и  количественный  анализ  полученных  рентгенограмм  проводили  в  программе  “Powdercell”. 

Фотокаталитическая  активность  образцов  пилларовой  глины  была  измерена  с  использованием  спектрофотометрического  метода  на  спектрофотометре  Shimadzu  UV-2550  в  модельной  реакции  разложения  красителя  конго  красного. 

Для  оценки  адсорбционной  ёмкости  порошков  фотокатализаторов  использовали  раствор  метиленового  оранжевого  и  конго  красного  с  начальной  оптической  плотностью  1D.  Навеска  интеркалированной  глины  была  постоянной  и  составляла  0,10  г,  объем  раствора  красителя  —  50  мл.  Остаточную  концентрацию  красителя  оценивали  фотометрическим  методом. 

Таблица  1. 

Характеристики  образцов  интеркалированного  монтмориллонита

Результаты  рентгеноструктурного  анализа  свидетельствуют  о  том,  что  образец  ММТ  представляет  собой  натриевую  форму  монтмориллонита  (d₀₀₁  менее  12,4  Ǻ).  Введение  нанораспорок  диоксида  титана  приводит  к  смещению  первого  базального  рефлекса  в  малоугловую  область.  Образцы  пилларовой  глины,  синтезированные  в  кислой  и  щелочной  средах,  характеризуется  значениями  d₀₀₁  9,1  и  10,8  Ǻ,  соответственно.  Таким  образом,  наблюдается  тенденция  к  увеличению  межплоскостного  расстояния  с  ростом  рН  синтеза. 

Вследствие  сшивания  алюмосиликатных  плоскостей  образцы  интеркалированной  глины  практически  полностью  теряют  способность  кумулировать  молекулы  воды  в  межпакетных  пространствах.  После  введения  распорок  диоксида  титана  степень  набухания  снижается  с  1200  %  до  30  %.  Интеркалированная  глина  практически  полностью  теряет  способность  к  набуханию,  вследствие  сшивания  алюмосиликатных  плоскостей.

Результаты  эксперимента  по  оценке  адсорбционной  емкости  свидетельствуют  о  том,  что  введение  распорок  TiO₂  приводит  к  значительному  росту  сорбирующей  способности.  Образцы  пилларового  монтмориллонита,  синтезированные  в  области  кислых  и  нейтральных  значений  рН,  показывают  5-кратное  увеличение  адсорбционной  емкости.  Наилучшими  показателями  обладает  щелочной  образец  TiO2-ММТ-3.  Его  сорбционная  емкость  в  8  раз  превышает  сорбционную  емкость  образцов  исходной  монтмориллонитовой  глины  и  глины  прошедшей  солевую  подготовку.

Эксперимент  по  оценке  фотокаталитической  активности  показал  наличие  фотокаталитического  эффекта  на  всех  образцах  интеркалированного  монтмориллонита.  На  рисунке  4  представлены  кинетические  кривые  фотокаталитической  деградации  красителя  конго  красного  для  образца  Т-ММТ-3.  Можно  видеть,  что  в  присутствии  TiO₂-  ММТ  пилларового  монтмориллонита  удается  добиться  90  %  деструкции  красителя  за  первые  30  минут  инсоляции  актиничным  светом.  Константа  скорости,  рассчитанная  в  полулогарифмических  координатах  3,75·10^-1мин^-1,  величина  достоверности  аппроксимации  R=  0,9983.

Рисунок  3.  Кинетические  кривые  фотодеградации  красителя  Конго  красного  на  образце  ТiO₂-ММТ-3

Заключение

Можно  отметить,  что  варьирование  значения  величины  рН  перед  стадией  прокаливания  оказывает  значительное  влияние  на  рентгеноструктурные  характеристики  образцов  ТiO₂-ММТ.  Введение  распорок  TiO₂  приводит  к  значительному  росту  сорбирующей  способности.

Список  литературы:

1.Козловский  Е.А.  Горная  энциклопедия  //  Директ  Медиа  Паблишинг,  2006.  —  508  с. 

2.Malla  P.B.,  Komarnen  S.  Properties  and  characterization  of  Al₂O₃  and  TiO₂  pillared  saponite  //  Clays  and  clay  minerals,  2008.  —  С.  472.