_{МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ}

ФГБОУ ВПО «СЫКТЫВКАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ИНСТИТУТ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК

КАФЕДРА ХИМИИ

ФГБУН ИНСТИТУТ ХИМИИ КОМИ НЦ УрО РАН

ЛАБОРАТОРИЯ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

Допустить к защите

Зав. кафедрой химии, к.х.н.

__________ О.А.Залевская

«_____» _____________2014 г.

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

Золь-гель способ получения кордиерита и изучение его структуры и свойств

Специальность 020101.65 – Химия

Научный руководитель:

зав. лаб. ультрадисперсных систем

Института химии Коми НЦ УрО РАН,

к.х.н., доцент ___________ П.В. Кривошапкин

Исполнитель:

студентка 250 группы ____________ Е.В. Грустная

Сыктывкар 2014

Содержание

ВВЕДЕНИЕ 4

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 7

1.1 Кордиерит – общая информация 7

1.2 Способы получения кордиерита 8

1.2.1 Получение кордиерита из синтетических компонентов по керамической технологии 8

1.2.2 Получение кордиерита из минерального сырья по керамической технологии 9

1.2.3 Получение кордиерита золь-гель методом 11

1.3 Применение пористых материалов в качестве мембранно-каталитических реакторов 17

2 Экспериментальная часть 20

2.1 Синтез золей оксидов магния, алюминия, кремния из неорганических прекурсоров 20

2.1.1 Методика синтеза золя оксида алюминия с использованием хлорида алюминия 21

2.1.2 Методика синтеза золя гидроксида магния с использованием хлорида магния 22

2.1.3 Методика синтеза золя диоксида кремния из раствора метасиликата натрия 22

2.2 Синтез золей оксидов магния, алюминия, кремния из органических прекурсоров 23

2.2.1 Методика синтеза золя оксида алюминия с использованием изопропилата алюминия 23

2.2.2 Методика синтеза золя гидроксида магния с использованием металлического магния 23

2.2.3 Методика синтеза золя диоксида кремния с использованием тетраэтоксисилана 24

2.3 Методика синтеза кордиерита 24

2.3.1 Методика синтеза кордиерита золь-гель способом 24

2.3.2 Методика синтеза кордиерита из минерального сырья по керамической технологии 25

2.4 Методика синтеза кордиеритовых мембран 26

2.5. Методика синтеза каталитически активного слоя 26

2.6 Физико-химические методы исследования 27

2.6.1 Методика определения массовой доли дисперсной фазы в золе 27

2.6.2 Методика определения пикнометрической плотности золей 28

2.6.3 Определение динамической вязкости золей 28

2.6.4 Сканирующая электронная микроскопия 29

2.6.5 Рентгенофазовый анализ 29

2.6.6 Методика определения кажущейся плотности, общей пористости, открытой и закрытой пористости, водопоглощения пористой керамики 30

2.6.7 Ртутная порометрия 31

2.6.8 Дифференциальная сканирующая калориметрия 31

2.6.9 Низкотемпературная сорбция азота 32

2.7 Тестирование катализаторов в модельной реакции окисления СО 36

3 ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ 36

ВЫВОДЫ 46

Список литературы 47

Приложение А 53

Приложение Б 54

Приложение В 55

Приложение Г 56

Введение

Минерал кордиерит по составу отвечает химической формуле 2MgO2Al₂O₃·5SiO₂, содержит (мас. %): 13,7 MgO, 34,9 Al₂O₃ и 51,4 SiO₂. Одним из наиболее важных эксплуатационных свойств керамических материалов (наряду с огнеупорностью) является стойкость к термоудару, резкому изменению температуры. Известно, что термическая стойкость материалов связана с термическим коэффициентом линейного расширения (ТКЛР). Наибольшей стойкостью к термоудару обладают материалы с наиболее низким ТКЛР. Среди высокоогнеупорных окислов и их смесей низкий ТКЛР имеют такие соединения, как литийсодержащие алюмосиликаты (эвкриптит, сподумен, петалит), цельзиан, кордиерит и некоторые другие. Поэтому кордиеритовую керамику используют в металлургии, машиностроении и химической промышленности в качестве огнеупоров, фильтров, покрытий и носителей катализаторов. Исследователи во всем мире занимаются разработкой составов кордиеритовой керамики с использованием различных способов получения.

Золь-гель технология – это один из наиболее перспективных технологических приемов для получения высокодисперсных порошков. Он имеет следующие преимущества: простота и доступность используемых реактивов и оборудования, малые энергетические затраты, возможность получения ультрадисперсных порошков сложного состава, снижение температуры синтеза, контролируемая морфология и пористость материалов.

Характеристики пористости (общее количество пор, соотношение закрытая/открытая пористость, средний размер пор и распределение пор по размерам) определяют свойства и пригодность для потенциального применения керамических материалов. Микро/мезопоры необходимы для адсорбции и очистки (в том числе каталитической) из газообразных или жидких потоков, в то время как макропористые материалы применяются в процессах фильтрации, в теплоизоляционных покрытиях и т.д. Сочетание различных размеров и морфологии пор в одну монолитную матрицу расширяет свойства продукта, а, следовательно, и значительно расширяет области применения. Макропористая керамическая основа обеспечивает химическую и механическую стабильности, а также высокую теплопередачу, низкий перепад давлений и высокую скорость внешней массопередачи за счет взаимосвязи между макропорами, в то время как микро/мезопористые покрытия обеспечивают функциональные возможности для конкретного применения.

Например, одной из экологических проблем современных мегаполисов является повышенная концентрация монооксида углерода в атмосфере. Основная доля поступающего в атмосферу антропогенного монооксида углерода (более 60 %) приходится на выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания. Также среди весомых источников СО следует выделить промышленные производства и бытовые помещения. Отходящие газы различных производств и топливосжигающих установок требуют глубокой очистки от угарного газа. В связи с этим, разработка и внедрение новых эффективных способов очистки отходящих газов автотранспорта и промышленных производств от СО является актуальной задачей [1]. Использование гранулированных или мелкодисперсных катализаторов проблематично ввиду большого гидродинамического сопротивления при их использовании в реакторах проточного типа. Решением данной проблемы может служить нанесение каталитического активного слоя на пористые керамические фильтрационные мембраны, предназначенные для удаления механических примесей, что позволяет совместить процесс механической фильтрации с каталитической нейтрализацией потока.

В рамках цикла работ будет разработан новый подход к синтезу мембранно-каталитических композитов, характеризующихся параметрами, сопоставимыми или превосходящими мировые аналоги. В качестве пористой подложки будет использована кордиеритовая керамика, способ получения которой ранее разработан в лаборатории ультрадисперсных систем Института химии Коми НЦ УрО РАН [2]. Синтез проведен из природных материалов, что позволяет снизить стоимость и сделать кордиеритовую керамику более доступной. Исходя из выше сказанного, можно сформулировать цель исследований на последнем этапе работы: разработка золь-гель метода получения кордиерита, изучение структуры, свойств и его апробация в качестве покрытий мембранно-каталитических реакторов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• синтез кордиерита золь-гель методом из органических (Al(C₃H₇O)₃, CH₃OH, C₈H₂₀O₄Si) и неорганических (AlCl₃·6H₂O, MgCl₂·6H₂O, Na₂SiO₃^·9Н₂О) прекурсоров;

• изучить влияние природы предшественников на температуру фазообразования кордиерита;

• исследовать с помощью комплекса физико-химических методов морфологию и пористую структуру синтезированных систем;

• разработать методику нанесения покрытий кордиеритового состава на пористые подложки для получения высокоэффективных мембранно-каталитических материалов.