Труды КНЦ вып.9 (ХИМИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ вып. 1/2018(9) часть 1)

Ключевые слова: сорбенты, нанесенные катализаторы, керамические мембраны, доломит, диоксид кремния, очистка воды. FUNCTIONAL MICRO- AND NANOSTRUCTURED MATERIALS BASED ON NATURAL SILICATES AND CARBONATES: PREPARATION, PROPERTIES AND APPLICATION A. I. Ivanets Institute o f General and Inorganic Chemistry o f the National Academy o f Sciences o f Belarus, Minsk, Republic o f Belarus A b stra c t This paper presents the results of research on the development of membrane, sorption and catalytically active materials from natural silicates and carbonates. The original methods of obtaining functional micro - and nanostructured materials have been proposed and the approaches of regulatory of their physico­ chemical properties were described, their efficiency in the p rocesses of purification of natural and process waters from ions of toxic metals, radionuclides and colloidal impurities, have been experimentally proved. Keyw o rds : sorbents, supported catalysts, ceramic membranes, dolomite, silica, water purification. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) ежегодно в мире из-за низкого качества воды умирает около 3 млн человек [1]. Повышенное содержание ионов тяжелых металлов, долгоживущих радионуклидов техногенного происхождения, мелкодисперсных взвешенных и коллоидных примесей являются одними из основных проблем, возникающих при очистке природных и технологических водных сред. Общемировые тенденции в области очистки воды показывают, что наиболее востребованными являются безреагентные технологии, основанные на применении мембранных, сорбционных и каталитически активных материалов [2]. Особое внимание уделяется использованию природного минерального сырья для их получения, что обусловливает актуальность проведения исследований по установлению физико-химических закономерностей получения мембранных, сорбционных и каталитически активных материалов на основе широко распространенных природных кварцевых песков и доломита. Природный доломит и кристаллический оксид кремния характеризуются низкой пористостью, невысокими сорбционными свойствами по отношению к ионам многовалентных металлов и каталитической активностью в жидкофазных окислительно-восстановительных реакциях. Получение на их основе функциональных микро- и наноструктурированных материалов различного назначения (сорбенты, катализаторы, мембраны) может быть реализовано с использованием коллоидно-химических подходов, позволяющих формировать пористые тела из непористых частиц, а также придавать новые свойства материалу путем формирования на его поверхности покрытий с развитой удельной поверхностью и заданным составом функциональных групп [3]. Так, например, варьируя дисперсность оксида кремния, можно получать керамические мембраны с иерархической пористой структурой, когда размер пор уменьшается при переходе от слоя к слою материала. При этом использование сочетания методов прессования порошков, капиллярного нанесения суспензий мелкодисперсных частиц и золь-гель синтеза позволяет формировать макропористую керамику с нанесенными на ее поверхность микрофильтрационными и мезопористыми мембранными слоями. Если крупнопористая керамика выполняет роль механически прочной подложки, то микрофильтрационный слой позволяет задерживать частицы размером до 1 мкм, а мезопористый слой, в том числе с привитыми функциональными группами, обусловливает сорбционные свойства по отношению к извлекаемым соединениям. Одним из примеров реализации такого подхода являются мембранно-сорбционные материалы, полученные формированием золь-гель методом на поверхности микрофильтрационных керамических мембран мезопористых кремнеземных покрытий с аминогруппами (-NH2) — рис. 1. Полученные материалы демонстрируют высокие транспортные характеристики и сорбционные свойства по отношению к ионам Ni2+. Показана возможность регенерации мембранно-сорбционных материалов разбавленными растворами HCl [4]. В случае доломита, представляющего собой двойной карбонат кальция и магния, получение сорбционных и каталитически активных материалов может быть реализовано как путем его непосредственной химической модификации (термоактивация, кислотное и бескислотное фосфатирование), так и формированием на его поверхности металлоксидных покрытий различного состава (МП 2 О 3 , MnO 2 , CuO, CuMn2O4, MgMn2O4 и др.), характеризующихся высокой каталитической активностью в целевых реакциях. В первом случае доломит выполняет фактическироль исходного сырья - - доступного и реакционноспособного источника кальция, магния, их оксидно-карбонатных и фосфатных соединений. При этом условия термообработки доломита, природа и концентрация фосфатирующих реагентов оказывают определяющее влияние на сорбционные и сорбционно­ селективные характеристики получаемых материалов. Например, полученные бескислотным фосфатированием 36