Каталітична очистка водних середовищ від нітрат- та нітрит-іонів - Автореферат

До одних з основних та найбільш небезпечних забрудників водних середовищ відносяться нітрат-та нітрит-іони. Існують різноманітні методи, що дозволяють зменшити концентрацію нітратів у питній, або стічній водах, проте всі вони мають свої недоліки, зокрема утворення шкідливих проміжних продуктів, накопичення шкідливих зливів, складне регулювання процесом. Тому розробка нових каталітичних систем, що дозволяють мінімізувати існуючі недоліки процесу відновлення нітрат-і нітрит-іонів у воді, є важливою для розвитку нових, прогресивних екологічно безпечних методів очистки води. Метою даної роботи є виявлення закономірностей перебігу реакції каталітичного видалення нітрат-та нітрит-іонів з водних середовищ шляхом розробки новітніх гетерогенних каталізаторів на основі модифікованих синтетичних шаруватих металосилікатів, шаруватих подвійних гідроксидів та діоксиду титану, що містять катіони паладію, міді та срібла. Для досягнення цієї мети необхідно було вирішити наступні науково-практичні завдання: - встановити закономірності процесу каталітичного відновлення нітрат-та нітрит-іонів на гетерогенних каталізаторах на основі модифікованих смектитоподібних металосилікатів, шаруватих подвійних гідроксидів та діоксиду титану;У першому розділі дисертації зроблено огляд санітарних аспектів токсичності нітрат-та нітрит-іонів, проаналізовано джерела забруднення природних водних обєктів нітратами, стисло розглянуто методи очистки води від цих забрудників. Показано перспективу використання каталізаторів на основі шаруватих подвійних гідроксидів, смектитодібних матеріалів та діоксиду титану в каталітичних та фотокаталітичних реакціях відновлення нітрат-іонів. У другому розділі наведено загальні підходи до синтезу та модифікування шаруватих подвійних гідроксидів, синтетичних смектитів та діоксиду титану, а також наведено опис використаних експериментальних фізико-хімічних методів та схеми установок для вивчення каталітичних властивостей отриманих матеріалів. Третій розділ присвячено дослідженням особливостей синтезу, модифікації та фізико-хімічних властивостей шаруватих подвійних гідроксидів, синтетичних смектитів, діоксиду титану та каталізаторів на їх основі. За допомогою електронно-скануючої мікроскопії було досліджено текстурні властивості отриманих зразків і встановлено, що розмір частинок металу на поверхні складає в середньому 2-3 нм.Дисертацію присвячено вирішенню екологічного завдання з очищення водних середовищ від нітрат-та нітрит-іонів шляхом їх каталітичного відновлення з використанням нових модифікованих шаруватих подвійних гідроксидів, синтетичних смектитів та діоксиду титану. Вперше запропоновано використання цинк-вмісних шаруватих подвійних гідроксидів та синтетичних смектитів з ізоморфнозаміщеною міддю в реакції каталітичного відновлення нітрат-та нітрит-іонів у водних середовищах. Вперше показано можливість рідиннофазної активації каталізаторів при 353 К за допомогою мурашиної кислоти та подальше використання її в якості відновлюючого агенту замість газоподібного водню при гідруванні нітрат-та нітрит-іонів. Визначено, що перебіг реакції каталітичного відновлення нітрат-та нітрит-іонів визначає природа структуроутворюючих катіонів (Zn або Mg) одержаних матеріалів. Порівняльний аналіз каталітичних властивостей отриманих матеріалів дозволив чітко визначити сфери їх практичного застосування: так, для вод з високим вмістом хлорид-або сульфат-іонів рекомендується використовувати каталізатори на основі ШПГ, а для денітрифікації карбонатних водних середовищ раціонально застосовувати Ag-або Cu-вмісні фотокаталізатори, а для водних середовищ з високим солевмістом найкраще підходять каталізатори на основі синтетичних смектитів.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

1. Дисертацію присвячено вирішенню екологічного завдання з очищення водних середовищ від нітрат- та нітрит-іонів шляхом їх каталітичного відновлення з використанням нових модифікованих шаруватих подвійних гідроксидів, синтетичних смектитів та діоксиду титану. В роботі встановлено взаємозвязок між фізико-хімічними властивостями досліджуваних матеріалів та їх каталітичною активністю щодо реакції відновлення NO3- та NO2-, що дозволило визначити раціональні умови перебігу екологічно важливого процесу денітрифікації водних середовищ.

2. Вперше запропоновано використання цинк-вмісних шаруватих подвійних гідроксидів та синтетичних смектитів з ізоморфнозаміщеною міддю в реакції каталітичного відновлення нітрат- та нітрит-іонів у водних середовищах.

3. Вперше показано можливість рідиннофазної активації каталізаторів при 353 К за допомогою мурашиної кислоти та подальше використання її в якості відновлюючого агенту замість газоподібного водню при гідруванні нітрат- та нітрит-іонів.

4. Визначено, що перебіг реакції каталітичного відновлення нітрат- та нітрит-іонів визначає природа структуроутворюючих катіонів (Zn або Mg) одержаних матеріалів. Показано, що вміст цинку у структурі носія суттєво впливає на відновлювальну здатність катіонів міді, що сприяє покращенню каталітичних властивостей. Запропоновано механізм реакції каталітичного відновлення нітрат-іонів.

5. Вперше показано можливість модифікації поверхні діоксиду титану частинками Cu та Ag за допомогою методу фотоосадження під дією видимого світла. Вивчено вплив природи модифікуючого металу, донору електронів та кристалічної модифікації діоксиду титану на перебіг процесу фотокаталітичної денітрифікації водних середовищ.

6. Порівняльний аналіз каталітичних властивостей отриманих матеріалів дозволив чітко визначити сфери їх практичного застосування: так, для вод з високим вмістом хлорид- або сульфат-іонів рекомендується використовувати каталізатори на основі ШПГ, а для денітрифікації карбонатних водних середовищ раціонально застосовувати Ag- або Cu-вмісні фотокаталізатори, а для водних середовищ з високим солевмістом найкраще підходять каталізатори на основі синтетичних смектитів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Лозовский А.В. Особенности синтеза и сорбционные свойства композитных материалов на основе гидроксидов алюминия и магния / А.В. Лозовський, И.В. Романова, В.В. Стрелко // Химия и технология воды. - 2005. - Т. № 4. - С. 323-320.

Здобувачем досліджено закономірності синтезу та сорбційних властивостей магній-вмісних шаруватих подвійних гідроксидів. Брав участь в обговоренні результатів досліджень та написанні статті.

2. Lozovski A. Photoreduction of nitrate ions over Ag/TIO2 system. / A. Lozovski, R. Prihodko, M. Sychev, K. Erdmann, V. Goncharuk // Sol-Gel Methods for Materials Processing. NATO Science for Peace and Security Series - C: Environmental Security, Edited by P. Innocenzy, Yu.L. Zub, V.G. Kessler. - Amsterdam:Springer, 2008. - P.453-458.

Здобувачем досліджено взаємозвязок між умовами синтезу каталізаторів та фотокаталітичними властивостями.

3. Лозовский А.В. Исследование фотокаталитической активности Ag/TIO2 катализаторов в реакции восстановления нитрат-ионов в водных средах / А.В. Лозовский, И.В. Столярова, Р.В. Приходько, В.В. Гончарук // Химия и технология воды. - 2009. - Т. 31, № 6. - С.631 - 642.

Здобувачем здійснено аналіз літератури, визначення ефективності вилучення нітрат-іонів за допомогою фотокаталізу, участь у написанні статті.

4. Пат. 82384 Україна, МПК 7 В01 J21/00, 23/48; С01 F1/70 Каталізатор на основі діоксиду титану, спосіб його одержання і спосіб фотокаталітичної очистки води від нітрат-іонів / Гончарук В.В., Сичов М.В., Лозовський О.В., Столярова І.В., Приходько Р.В., Лєдєньов І.О.; заявник та володар патенту Інститут колоїдної хімії та хімії води ім. А.В. Думанського Національної академії наук України. - № 200601862 ; заявл. 21.02.2006 ; опуб. 10.04.2008, Бюл. № 7.

5. Пат. 83326 Україна, МПК 7 В01 J21/06, 23/72, 37/02; C02 F1/70. Композитний гетерогенний каталізатор для очистки води від нітрат-іонів, спосіб його одержання і спосіб очистки води / Гончарук В.В.,Сичов М.В., Лозовський О.В., Столярова І.В., Приходько Р.В.; заявник та володар патенту Інститут колоїдної хімії та хімії води ім. А.В. Думанського Національної академії наук України. - № 200709298 ; заяв. 15.08.2007 ; опубл. 25.06.2008, Бюл. № 12.

В роботах [4-5] здобувачем було отримано експериментальні дані з каталітичного відновлення нітрат-іонів у водних середовищах.

6. Лозовський О. Оптичні властивості нанокомпозиту частинок TIO2 з Ag та Cu оболонкою / Лозовський О., Лозовський В., Стрільчук Г., Димітрієв О. // Нові технології. - 2008. - 20, №2. - С. 141-144.

Синтез зразків діоксиду титану та модифікування його поверхні частинками срібла або міді.

7. Лозовский А.В Разработка новых нанесенных катализаторов восстановления нитратов в воде на основе слоистых двойных гидроксидов / Лозовский А.В., Приходько Р.В., Сычев М.В., Гончарук В.В. // Материалы конференции Российского фонда фундаментальных исследований «Фундаментальная наука в интересах развития критических технологий», 12-14 сентября 2005 г. : тезисы докладов, Владимир, Россия. - 2005. - С. 167-168.

8. Лозовский А.В. Разработка новых нанесенных Pd/Cu катализаторов восстановления нитратов в воде на основе слоистых двойных гидроксидов / Лозовский А.В., Сычев М.В., Гончарук В.В. // Збірка тез доповідей Сьомої Всеукраїнської конференції студентів і аспірантів “Сучасні проблеми хімії”, 18-19 травня 2006 р., Київ. - 2006. - С. 185.

9. Лозовский А.В. Каталитическое восстановление нитрат ионов в воде в присутствии муравьиной кислоты. / Лозовский А.В., Приходько Р.В., Сычев М.В., Гончарук В.В. // VII Российская конференция (с международным участием) «Механизмы каталитических реакций», 3-8 июля 2006 г. : Тезисы Том II, Санкт-Петербург, Россия. - 2006. - Т. 2. - С. 260-262.

10. Лозовский А.В. Разработка новых Pd/Cu катализаторов восстановления нитратов в воде на основе слоистых двойных гидроксидов / Лозовский А.В., Сычев М.В., Гончарук В.В. // ІІІ Міжнародна конференція молодих вчених “Сучасні проблеми фізичної хімії”, 31 серпня - 3 вересня 2007 р. : Збірка тез доповідей, Донецьк. - 2007. - С. 35.

11. Диденко К. Каталитическое восстановление нитратов в воде. / Диденко К., Лозовский А. // І Міжнародна (ІІІ Всеукраїнська) конференція студентів, аспірантів та молодих вчених з хімії та хімічної технології, 23-25 квітня 2008 - Київ. 2008. - С.297.

12. Лозовский А.В. Фотокаталитическое восстановление нитрат ионов, катализируемое TIO2 модифицированном серебром и медью / Лозовский А.В., Столярова И.В., Приходько Р.В., Сычев М.В., Пестунова О.П., Гончарук В.В., Пармон В.Н. // 2-я Всероссийская Школа-конференция молодых ученых «Функциональные наноматериалы в катализе и энергетике», 13-18 июля 2009 г. Екатеринбург, Россия. - 2009. - С. 30.

В роботах [7-12] експериментальна частина роботи, обробка результатів, участь в обговоренні та оформленні тез, доповідь на конференції.

Размещено на .ru