авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Анодный синтез терморасширяющихся соединений графита для получения адсорбентов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

КОЛЬЧЕНКО Александр Сергеевич

анодный Синтез

ТЕРМОРАСШИРЯЮЩИХСЯ СОЕДИНЕНИЙ ГРАФИТА

для получения адсорбентов

Специальность 02.00.05 – Электрохимия

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саратов – 2011

Диссертация выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Финаенов Александр Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Фоменко Любовь Афанасьевна

кандидат технических наук

Сеземин Алексей Владимирович

Ведущая организация: ОАО «Литий-Элемент», г. Саратов

Защита состоится «21» октября 2011 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.09 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу: 413100, Саратовская обл., г. Энгельс, пл. Свободы, 17, Энгельсский технологический институт (филиал) ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет», ауд. 237.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет».

Автореферат размещен на сайте Саратовского государственного технического университета http://www.sstu.ru «_____» сентября 2011 г. и на сайте ВАК РФ vak.ed.gov.ru «_____» сентября 2011 г.

Автореферат разослан «_____» сентября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета В.В. Ефанова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Возросшие экологические требования к деятельности предприятий любого профиля стимулируют научные и прикладные исследования по модернизации существующих и поиску новых технологий в экологической отрасли. В качестве адсорбентов для очистки от токсичных загрязнений жидкофазных и газовых сред наиболее широко применяются различные углеродные материалы (УМ) и многочисленные композиты на их основе. К перспективным материалам для таких целей относят терморасширенный графит (ТРГ), представляющий собой пеноподобные углеродные структуры с высокой удельной поверхностью и сорбционной емкостью.

ТРГ получают быстрым нагревом соединений внедрения графита (СВГ) или продуктов их гидролиза, в промышленности для этого используют в основном бисульфат или нитрат графита, синтезируемые в концентрированных кислотах. Альтернативная технология, заключающаяся в анодном окислении графита в серной или азотной кислотах, имеет ряд преимуществ: ведение синтеза в управляемом режиме; получение сверхчистых СВГ с заданными свойствами; применение менее концентрированных растворов; более экологически безопасна и др. Проводимые на кафедре «Технология электрохимических производств» ЭТИ СГТУ исследования подтвердили перспективность применения ТРГ на основе электрохимически синтезированных терморасширяющихся соединений графита (ТРСГ) для водоподготовки и очистки сточных вод. Выявленные закономерности показывают, что удельная поверхность и сорбционная способность ТРГ зависят как от условий электрохимического получения ТРСГ, так и режима их термообработки. Особого сочетания свойств синтезируемых соединений требует их применение в составе композитов, когда необходимо учитывать гранулометрический состав УМ, температуру вспенивания и степень терморасширения ТРСГ.



В настоящей работе на примере системы графит-H2SO4 изучено влияние фракционного состава исходного дисперсного графита на динамику интеркалирования углеродной матрицы и свойства синтезируемых соединений. Исследованы зависимости насыпной плотности и удельной поверхности ТРГ, полученных в различных условиях анодной поляризации и термообработки, предприняты попытки использования ТРГ и ТРСГ в составе композитов с глауконитовой и полимерной матрицами. Результаты работы являются актуальными для разработки новых эффективных адсорбентов на основе ТРГ.

Целью работы является проведение системных исследований по влиянию фракционного состава исходного графита, режима электрохимического синтеза ТРСГ и условий проведения термообработки на степень терморасширения соединений и адсорбционные свойства получаемого ТРГ.

Запланированное исследование включает решение следующих задач:

  • установление влияния гранулометрического состава дисперсного графита на поляризацию анодной обработки и соотношение скоростей поверхностных реакций и процессов интеркалирования углеродного материала;
  • исследование зависимости насыпной плотности и удельной поверхности получаемого ТРГ от свойств исходного графита, режима электрохимического синтеза ТРСГ, температуры и условий проведения термообработки;
  • проведение оценки эффективности использования ТРГ в составе глауконитового адсорбента с целью расширения функциональных свойств и увеличения кинетики сорбции;
  • исследование применения ТРСГ для создания адсорбционных композитов с глауконитсодержащим и полимерным связующим и формированием развитой поверхности ТРГ термообработкой после процесса гранулирования.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что впервые проведены экспериментальные исследования по влиянию гранулометрического состава дисперсного графита на процесс электрохимического образования ТРСГ в серной кислоте. Установлена зависимость роста анодной поляризации с уменьшением размера частиц графитового электрода, а также изменение соотношения скоростей поверхностных и объемных реакций. Выявлено, что при одинаковых условиях синтеза ТРСГ степень терморасширения значительно снижается с переходом к мелким фракциям графита. Максимальная удельная поверхность ТРГ характерна для образцов, полученных из частиц графита большего размера, подвергнутого анодному переокислению.

Впервые ТРСГ использованы в качестве структурирующих компонентов композитов. Введением в глауконит и полиэтилен мелких фракций СВГ на стадии формирования гранул адсорбента последующей термообработкой удается получать механически прочные гранулы с повышенной пористостью и удельной поверхностью. При этом показано, что в композите с полимерной матрицей целесообразно для терморасширения ТРСГ использовать СВЧ-нагрев.

Практическая значимость результатов работы заключается в том, что сформированы требования к свойствам исходного графита, выявлены условия его анодной обработки в H2SO4 для обеспечения наибольшей удельной поверхности и для применения в составе композитов. Разработан способ получения комбинированного адсорбента, состоящего из ТРГ и глауконита. Показана возможность формирования гранул ТРГ с полиэтиленовой матрицей. Предложено применение для термообработки ТРСГ токов высокой частоты.

Результаты по изменению толщины слоя графита различных фракций при электрохимическом синтезе ТРСГ с H2SO4 являются ценной информацией для проектирования электрохимического оборудования.

Апробация результатов работы

Основные результаты работы докладывались на IV Всероссийской научно-практической конференции «Экологические проблемы промышленных городов» (Саратов, 2009); на конференции «Молодые ученые – науке и производству» (Саратов, 2008); на Всероссийских научно-практических конференциях «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2009, 2010); на 2-й и 3-й Всероссийских научно-технических конференциях «Нанотехнологии и наноматериалы: современное состояние и перспективы развития в условиях Волгоградской области» (Волгоград, 2009, 2010); на V Международной конференции «Композит-2010» (Энгельс, 2010); на VII Международной конференции «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология» (Владимир, 2010); на Международной конференции «Актуальные проблемы электрохимической технологии» (Энгельс, 2011).

По результатам работы получено финансирование по программе У.М.Н.И.К. (гос. контракт № 8758р/13975 от 14.01.2011).

На защиту выносятся следующие основные положения:

  1. Результаты исследований по влиянию гранулометрического состава исходного графита на процесс анодной обработки в H2SO4 и свойства синтезированных соединений.
  2. Зависимости свойств ТРГ, полученных на основе синтезированных соединений, от режимов анодной обработки графита. Влияние температуры и вида термообработки на свойства пенографита.
  3. Способы формирования комбинированных гранулированных адсорбентов, содержащих ТРГ и глауконит, результаты оценки их эффективности.
  4. Данные по возможности формирования гранул адсорбента из ТРГ с полиэтиленовой матрицей.

Публикации

По материалам диссертации получен 1 патент на изобретение, опубликованы 3 статьи в журналах, рекомендуемыми ВАК РФ, 11 статей в сборниках трудов и материалах конференций.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора, методического и экспериментальных разделов, общих выводов, списка использованной литературы и приложения. Изложена на 123 страницах и включает 36 рисунков, 14 таблиц, список использованной литературы состоит из 164 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе обобщены литературные сведения по ТРСГ, их структуре и свойствам, а также по способам их получения. Описаны современные представления о процессах, протекающих на углеродных материалах при электрохимической анодной обработке в кислотных электролитах.

Проанализированы данные, опубликованные в литературе, по сорбционным и ионообменным свойствам УМ, а также сравнение их адсорбционной способности с известными на сегодняшний день сорбентами на основе ТРГ. Отмечается перспективность применения ТРГ как в порошковом виде, так и в виде компактированных адсорбентов. В литературных источниках об использовании ТРГ в качестве адсорбента, как правило, отсутствуют сведения о способе и режимах получения пенографита. В связи с этим исследования, направленные на получение пенографита для экологических целей, являются актуальными.

Вторая глава посвящена описанию объектов и методов исследований. Электрохимические исследования проводились с помощью потенциометрического, гальваностатического и потенциостатического методов. Приведены схемы электрохимических ячеек, а также установки, позволяющей регистрировать изменение толщины графитового слоя в ходе синтеза ТРСГ. В качестве электрода сравнения использовался ртутно-сульфатный электрод (РСЭ), значения потенциалов в работе приведены относительно РСЭ.

Фракционирование графита и синтезированных соединений осуществлялось на вибростенде марки ПЭ-6700. Описаны методики гидролиза, промывки и сушки ТРСГ, термообработка соединений осуществлялись в муфельной печи с варьированием температуры, а также в СВЧ-печи стандартной частоты 2,45 ГГц с варьированием мощности излучения. Насыпная плотность УМ определялась по стандартным методикам. Свойства ТРГ оценивались по насыпной плотности (dТРГ) и удельной поверхности (Sуд), определяемой по адсорбции аргона и азота (хроматограф «Цвет-210» и на автоматический анализатор NOVA 1200e).

Состав и свойства углеродных материалов определялись дополнительно дифференциальным сканирующим калориметром (ДСК) и рентгенофазовым анализом (РФА).

В третьей главе приведены результаты хронопотенцио-метрических, гальваностатических и потенциостатических исследований влияния гранулометрического состава дисперсного графита на свойства электрохимически синтезируемых терморасширяющихся соединений. Интервалы потенциалов и токов анодной поляризации были выбраны по результатам ранее выполненных работ.

Хронопотенциометрические кривые графита для различных фракций и изменение толщины слоя графита (l) при гальваностатической обработке (50 мА/г) в концентрированной H2SO4 приведены на рис. 1. Перегибы на кривых позволяют условно выделить 4 области (I-IV), в которых соотношение скоростей объемных (интеркалирование) и поверхностных процессов различно. В области I протекают преимущественно поверхностные процессы: заряд двойного электрического слоя, окисление поверхностных групп, т.е. подготовка углеродной матрицы к процессам интеркалирования. Эта область характеризуется снижением толщины графитового слоя (l-, рис.1). В областях II и III основным процессом является внедрение анионов HSO4- и молекул H2SO4 в межслоевые пространства графита:





(1)

с образованием бисульфата графита (БГ) различных ступеней (n = 1;2;3…). Для крупной фракции графита эти области характеризуются динамичным подъемом кривой l-, что обусловлено раздвижкой углеродных слоев в графите при внедрении интеркалата (HSO4-, H2SO4)(рис. 1а).

Рис. 1. Изменение потенциала графита (Е) и толщины слоя графита (l) при анодной поляризации (50 мА/г) в 93% H2SO4 различных фракций углеродного материала: а) >410 мкм; б) 40-125 мкм

Область III соответствует полному насыщению графитовой матрицы интеркалатом, т.е. образованию I ступени БГ. Дальнейшее окисление будет приводить к переокислению С24+.2HSO4- по реакциям:

С24+HSO4- 2H2SO4 2C12+.2HSO4- H2SO4 + H+ + e (2)

С24+HSO4- 2H2SO4 C24+ 0,5 S2O8 2- H2SO4 + 3H+ + 3e- (3)

Сравнение Е--кривых для различных фракций графита при гальваностатическом синтезе ТРСГ приведены на рис. 2. Уменьшение размеров частиц графита приводит к увеличению поляризации анода, что обусловлено повышением омического сопротивления насыпного электрода из-за увеличения числа контактных переходов между зернами графита.

Согласно данным табл. 1, привес гидролизованных ТРСГ (m) закономерно возрастает с увеличением размера частиц графита. Выход летучих соединений (-m) при термообработке меняется незначительно. Это указывает на то, что скорость процессов внедрения по мере укрупнения фракций возрастает, а поверхностных реакций – падает. Насыпная плотность ТРГ существенно увеличивается при использовании мелкодисперсного графита.

Рис. 2. Зависимость потенциала графита во времени при анодной гальваностатической поляризации в 93% H2SO4 различных фракций:

1) > 410 мкм; 2) 125-410 мкм; 3) 40-125 мкм; 4) < 40 мкм

Такое различие обусловлено двумя причинами. Во-первых, повышенная скорость поверхностных реакций будет вызывать увеличение концентрации дефектов в графитовой матрице. Во-вторых, снижение размеров плоских графитовых частиц при их условной одинаковой толщине приводит к существенному росту площади торцевой поверхности по сравнению с общей поверхностью частицы.

Таблица 1

Свойства терморасширяющихся соединений графита, полученных
в гальваностатическом (50 мА/г) и потенциостатическом (2,4 В) режимах
в 93% H2SO4 с сообщением 150 мА·ч/г

Размер частиц, мкм dТРСГ, г/дм3 m, % -m, % dТРГ при 900С, г/дм3 Степень
терморасширения, VТРГ/VОГ
<40 Г* 133,4 27,6 40 8,33 7,2
П* 166,7 26,5 44,6 5,8 15,4
40-125 (Г) 127,8 28,2 43,8 3,51 20
125-410 (Г) 112,2 29,1 43,4 1,77 32
>410 Г 91,8 32,9 42,6 1,08 52
П 98 35,6 31,3 0,94 70


Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.