Способ очистки углеродного наноматериала от металлсодержащего катализатора



 


Владельцы патента RU 2502833:

Общество с ограниченной ответственностью Научно Производственный Центр "Квадра" (RU)

Изобретение относится к химической технологии получения углеродных наноматериалов (УНМ), а именно к их очистке от металлсодержащего катализатора. Очистка производится путем растворения катализатора различными реагентами в электролизере, катодное и анодное пространство которого разделено мембраной. Очищаемый УНМ располагают в анодном пространстве электролизера. В качестве электролита используют водные растворы веществ, при электролизе которых в анодном пространстве электролизера происходит накопление реакционоспособных анионов, образующих с катализатором растворимые в воде соли. Использование изобретения не требует большого количества реагентов для удаления катализатора, при этом сам реагент не расходуется и может использоваться многократно, отсутствует образование большого количества сточных вод.

 

Изобретение относится к химической технологии получения углеродных наноматериалов (УНМ), а именно, к способам их очистки от металлсодержащего катализатора. Изобретение может найти применение в различных областях промышленности для производства различных нанокомпозитов, содержащих в своем составе очищенный УНМ.

УНМ - материалы, состоящие из наноразмерных частиц углерода. К УНМ могут быть отнесены ультрадисперсные алмазы детанационного синтеза, графен, углеродные нанотрубки и нановолокна. Однако, как правило, в технической литературе под УНМ подразумевают углеродные нанотрубки или нановолокна, а также их смесь или их смесь с аморфным углеродом, являющимся побочным продуктом их синтеза. Далее под термином УНМ будем подразумевать именно такой продукт. Вне зависимости от способов синтеза УНМ, для их образования необходимо наличие катализатора. В качестве катализатора используется наноразмерные частицы металлов (железо, никель, медь кобальт и др.) и их смеси. Часто в процессе используется катализатор, представляющий металлосодержащие органические соединения, например металлоцены, в частности ферроцен. В этом случае металлический катализатор образуется в процессе синтеза путем разложения органического металлсодержащего соединения. Кроме того, возможно использование оксидов металлов, которые восстанавливаются в процессе синтеза до металлов, а также металлов и их соединений на различных носителях, например оксида магния. В результате процесса синтеза УНМ образуются его частицы в форме углеродных нанотрубок или нановолокон, имеющих на конце частицу металлического катализатора, обеспечивавшего их образование. Для дальнейшего использования УНМ в большинстве случаев необходимо удалить катализатор, поскольку он является нежелательной примесью.

Известные химические способы [1] удаления металлсодержащих катализаторов сводятся к их многократной обработке растворами минеральных кислот, в первую очередь соляной, серной и азотной кислот. Минеральные кислоты образуют растворимые соли с металлом катализатора, которые удаляются путем промывки УНМ дистиллированной водой.

Недостатком этих способов является большое количество используемых растворов кислот и промывочных вод, что подразумевает образование большого количества стоков, требующих наличие мощных очистных сооружении. Последнее затрудняет использование такого процесса в промышленности и увеличивает себестоимость очищенного от катализатора УНМ.

Техническим результатом заявленного изобретения является то, что способ очистки УНМ от катализатора не требует большого количества реагентов для удаления катализатора, а сам реагент не расходуется и может использоваться многократно. Таким образом, проблема образования большого количества сточных вод отсутствует.

Технический результат достигается за счет того, что очистка углеродного наноматериала от катализатора производится в электролизере, катодное и анодное пространство которого разделено мембраной. Очищаемый углеродный наноматериал находится в анодном пространстве электролизера, а в качестве электролита используются водные растворы веществ, при электролизе которых в анодном пространстве электролизера происходит накопление реакционоспособных анионов, образующих с веществом катализатора растворимые в воде соли.

Предлагаемый способ очистки УНМ от металлсодержащего катализатора состоит в следующем. В электролизер, анодное и катодное пространство которого разделено мембраной, свободно пропускающей ионы, но препятствующей смешению электролита из анодного и катодного пространства помещают УНМ подлежащий очистки. УНМ помещают в область анодного пространства. Электролизер заполняют электролитом, в качестве которого используются водные растворы веществ, при электролизе которых в анодном пространстве электролизера происходит накопление реакционоспособных анионов, образующих с веществом катализатора растворимые в воде соли. В качестве такого электролита могут выступать растворы соляной, серной, азотной, плавиковой кислот, их натриевые, калийные или аммонийные соли, а также любые другие соединения отвечающие вышеприведенному условию.

При подаче напряжения на электроды электролизера начинается электролиз электролита. Положительно заряженные катионы К+ движутся в сторону катода и накапливаются в катодном пространстве. Отрицательно заряженные анионы А- движутся в сторону анода, накапливаются в анодном пространстве и реагируют с металлсодержащим катализатором с образованием растворимой в воде соли металла катализатора M n m + A m n . Таким образом происходит растворение катализатора и удаление его из частиц УНМ. Образовавшейся раствор соли металла также подвергается электролизу. При этом анионы по-прежнему продолжают накапливаться в анодном пространстве и реагировать с металлосодержащим катализатором, а ионы M n m + переходят и накапливаются в катодном пространстве. В конце процесса очистки УНМ от катализатора все вещество металлического катализатор оказывается в около катодном пространстве электролизера, а очищенный УНМ в анодном пространстве электролизера.

Приведенная схема является общей для способа. При использовании различных электролитов, схема протекающих электрохимических реакций может быть более сложной, вследствие наличия различных побочных реакций. Однако это не изменяет сути заявляемого способа и не ограничивает перечень электролитов отвечающих условиям заявляемого способа.

Для примера рассмотрим случай, когда в качестве электролита используется разбавленный раствор хлорида натрия. Электроды электролизера выполнены из графита, а УНМ в качестве катализатора содержит железо.

В начале процесса электролиза разбавленного раствора хлорида натрия к катоду будут устремляться катионы натрия. Учитывая что:

Na++e=Na, Е=-2,71 В

2О+2е=Н2+2ОН-, Е=-0,83 В

ионы натрия разряжаться не будут, а из воды будут образовываться водород и гидроксидионы. Таким образом, в катодном пространстве в начале процесса будет происходить накопление раствора гидрооксида натрия.

Анионы хлора будут устремляться к аноду. Поскольку:

2Cl--2е=Cl2, Е=-1,36 В

2О-4е=О2+4Н+, Е=-1,23 В

в условиях разбавленного раствора хлорида натрия анионы хлора разряжаться не будут, что приведет к накоплению в анодном пространстве раствора соляной кислоты.

По мере увеличения концентрации соляной кислоты, она начнет реагировать с железом, образующего частицы катализатора. Продуктом реакции соляной кислоты и железа будет являться хорошо растворимая в воде соль хлорида железа III. При электролизе образуемого раствора хлорида железа III ионы железа Fe+3 движутся в сторону катода и оказываются в катодном пространстве электролизера, где взаимодействуют с ранее образованными гидрооксид ионами с образованием, в конечном счете, нерастворимого гидроксида железа III.

В конце процесса очистки УНМ от катализатора, весь железный катализатор оказывается в форме гидрооксида железа III. Очищенный УНМ - в слабом растворе соляной кислоты - в анодном пространстве. Электролиты из катодного и анодного пространства фильтруют, отделяя гидрооксид железа и очищенный УНМ соответственно. Фильтраты электролита из катодного и анодного пространства смешивают, и восстановленный электролит используют повторно, для очистки новой порции УНМ.

На основе предлагаемых решений были проведены эксперименты по очистки УНМ с начальной зольностью 24% масс., после процесса очистки зольность составляла во всех случаях менее 0,04% масс. Электролизер имел электроды, выполненные из графита и мембрану, изготовленную из стеклоткани. Плотность тока составляла во всех случаях 1,3 А/дм2. В качестве электролитов были опробованы 1,5% раствор хлорида натрия, 10% раствор соляной кислоты и 25% раствор серной кислоты. Данные примеры иллюстрируют изобретение, но не ограничивают его, поскольку специалисту, очевидно, что предлагаемый способ может быть реализован с любыми другими электролитами, анионы которых способны образовывать с веществом катализатора растворимые соли.

Таким образом, вышеприведенные данные подтверждают достоверность заявленного технического результата.

Источники информации принятые во внимание при составлении заявки на изобретение

1. Э.Г. Раков Нанотрубки и фуллерены: Учебн. пособие. - М.: Университетская книга, Логос, 2006. - 376 с, с.290-294.

Способ очистки углеродного наноматериала от металлсодержащего катализатора, отличающийся тем, что очистку углеродного наноматериала от катализатора производят в электролизере, катодное и анодное пространство которого разделено мембраной, при этом очищаемый углеродный наноматериал располагают в анодном пространстве электролизера, а в качестве электролита используют водные растворы веществ, при электролизе которых в анодном пространстве электролизера происходит накопление реакционоспособных анионов, образующих с катализатором растворимые в воде соли.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к очистке поверхности металлических изделий из стали, медных сплавов или серебра. В способе на металлическую поверхность наносят гель-электролит, содержащий полиэтиленгликоль, перхлорат щелочных металлов, трифторацетат щелочных металлов и два мономера акрилового ряда.

Изобретение относится к области электролитно-плазменной обработки поверхности токопроводящего проката и может найти применение при осуществлении технологических операций очистки и травления металлов и сплавов.

Изобретение относится к области электролитно-плазменной обработки поверхности изделий из стали, металлов и сплавов. .
Изобретение относится к области электрохимической обработки металлических изделий, а именно к способам электрохимической обработки (ЭХО) поверхности металлических изделий от загрязнений технологическими смазками, следов оксидной пленки, продуктов износа и других типов загрязнений.
Изобретение относится к электролитно-плазменной обработке, в частности полированию, металлических изделий из нержавеющих сталей, титана и титановых сплавов и может быть использовано в турбомашиностроении при полировании лопаток.
Изобретение относится к химической и электрохимической очистке металлических поверхностей от трудноудаляемых масляных загрязнений, например от прокатных смазок, с помощью моющих растворов, содержащих каустическую соду, фосфаты и поверхностно-активные вещества (ПАВ).

Изобретение относится к способу очистки твердых поверхностей моющим и очищающим средством бытового и технического назначения и может быть использовано для очистки различных твердых поверхностей от минеральных и органических загрязнений.

Изобретение относится к электрохимической очистке деталей из алюминиевых сплавов от высокотемпературных пригаров, образующихся в процессе изготовления деталей методом изотермической штамповки.

Изобретение относится к металлургической и машиностроительной отраслям промышленности и может быть использовано в технологии модифицирования поверхности металлических изделий.

Изобретение относится к области машиностроения и металлургии, в частности к вакуумной установке для получения наноструктурированных покрытий из материала с эффектом памяти формы на поверхности детали.

Изобретения могут быть использованы при получении воды для питьевых целей, для медицинских целей, для водных процедур, а также в сельском хозяйстве для растениеводства, животноводства, рыбоводства.

Изобретение может быть использовано в производстве катализаторов, электродов, токопроводящих элементов, фильтров. Твердый политетрафторэтилен (ПТФЭ) подвергают пиролизу без доступа воздуха в плазме импульсного высоковольтного электрического разряда при атмосферном давлении с амплитудой импульсов не менее 9 кВ.

Изобретение относится к области получения наноструктурированных материалов путем обработки потоком порошковых частиц с использованием энергии взрыва, высокие физико-механические и химические свойства которых позволяют использовать для целей медицины, в том числе имплантатов.

Изобретение относится к технологии получения неорганических материалов, которые могут быть использованы для производства медицинских материалов, стимулирующих восстановление дефектов костной ткани, в том числе в стоматологии.

Изобретение относится к светотехнике и может быть использовано при изготовлении устройств общего и местного освещения. Люминесцентный композитный материал содержит полимерную основу 1 из оптически прозрачного полимерного материала и многослойную полимерную пленку, содержащую люминофоры, из трех слоев: оптически прозрачная полимерная пленка 2; полимерная композиция 3, включающая неорганический люминофор - иттрий-алюминиевый гранат, допированный церием, или галлий-гадолиниевый гранат, допированный церием; полимерная композиция 4 с диспергированными полупроводниковыми нанокристаллами, выполненными из полупроводникового ядра, первого и второго полупроводниковых слоев, и испускающими флуоресцентный сигнал с максимумами пиков флуоресценции в диапазоне длин волн 580-650 нм.

Изобретение относится к области изготовления полимерных нанокомпозитов, которые могут быть использованы в качестве конструкционных материалов в космической, авиационной, строительной и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к получению биосовместимых магнитных наночастиц и может быть использовано для терапевтических целей, в частности для борьбы с раком. Способ получения наночастиц, включающих оксид железа и кремнийсодержащую оболочку и имеющих значение удельного коэффициента поглощения (SAR) 10-40 Вт на г Fe при напряженности поля 4 кА/м и частоте переменного магнитного поля 100 кГц, содержит следующие стадии: А1) приготовление композиции по меньшей мере одного железосодержащего соединения в по меньшей мере одном органическом растворителе; В1) нагрев композиции до температуры в диапазоне от 50°C до температуры на 50°C ниже температуры реакции железосодержащего соединения согласно стадии С1 в течение минимального периода 10 минут; С1) нагрев композиции до температуры между 200°C и 400°C; D1) очистку полученных частиц; Е1) суспендирование очищенных наночастиц в воде или водном растворе кислоты; F1) добавление поверхностно-активного соединения в водный раствор, полученный согласно стадии E1); G1) обработку водного раствора согласно стадии F1) ультразвуком; H1) очистку водной дисперсии частиц, полученных согласно стадии G1); I1) получение дисперсии частиц согласно стадии H1) в смеси растворителя из воды и растворителя, смешивающегося с водой; J1) добавление алкоксисилана в дисперсию частиц в смеси растворителя согласно стадии I1); и К1) очистку частиц.

Изобретение может быть использовано при изготовлении прозрачных электродов и приборов наноэлектроники. Графеновую пленку получают осаждением в вакууме углерода из углеродсодержащего газа на подложку, покрытую катализатором, предварительно нагретую до температуры, превышающей разложение углеродсодержащего газа.

Изобретение может быть использовано в электрохимических и электрофизических устройствах. Осуществляют анодную гальваностатическую поляризацию титана или циркония с плотностью тока от 0,1 до 3,0 мА·см-2 в расплаве хлоридов щелочных металлов, содержащем от 0,1 до 1,0 мас.% порошка карбида бора при температуре 843-873 К в атмосфере аргона.

Изобретение относится к технологии производства наноматериалов для получения оксидных топливных элементов, тонких покрытий, пленок, обладающих высокой ионной проводимостью. Способ включает приготовление водного раствора солей церия и гадолиния, в котором суммарная концентрация редкоземельных элементов составляет 0,005÷0,02 моля на литр воды, а мольное соотношение Ce:Gd составляет от 19:1 до 4:1, добавление к полученному раствору анионообменной смолы в OH-форме до достижения pH 9.0÷10.0, отделение сформировавшегося коллоидного раствора от анионообменной смолы фильтрованием, гидротермальную обработку при 120÷210°С в течение 1,5÷4 ч и охлаждение до комнатной температуры. Полученный неустойчивый золь нанокристаллического диоксида церия, допированного гадолинием, дополнительно стабилизируют солью многоосновной кислоты путем добавления многоосновной кислоты (лимонной или полиакриловой) с мольным соотношением редкоземельных элементов к кислоте, равным 1:1÷4, и последующим медленным по каплям добавлением водного раствора аммиака до достижения pH 7÷8. Изобретение позволяет получать агрегативно-устойчивые водные золи со средним диаметром частиц около 4 нм, обладающих высокой морфологической однородностью, сохраняющие свои свойства в течение продолжительного времени. 4 з.п. ф-лы, 4 ил., 4 пр.
Наверх