Электрохимический синтез низкоплотных углеродных материалов для очистки воды

На правах рукописи

ЯКОВЛЕВА

ЕЛЕНА ВЛАДИМИРОВНА

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ НИЗКОПЛОТНЫХ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

2008

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

Химия углерода в настоящее время претерпевает бурное развитие. В практическом плане это проявляется в создании новых, с уникальным сочетанием свойств углеродных материалов многопланового применения (адсорбция, катализ, проточные и компактные электроды, футеровочные и уплотнительные листы, шумо-, тепло-, радиационноизолирующие экраны и др.) в химической технологии, синтезе, машиностроении, вакуумной технике. Подобные материалы уже по достоинству оценены в промышленного развитых странах мира и начинают внедряться в России. Одним из таких новых углеродных материалов является пенографит (ПГ) или терморасширенный графит (ТРГ), получаемый при термообработке (ТО) соединений внедрения графита (СВГ). СВГ промышленного производятся преимущественно по нитратной химической технологии, заключающейся в обработке дисперсного графита концентрированной HNOj. Известно электрохимическое получение СВГ, основанное на анодном окислении графита в кислотах. Основные литературные сведения по электрохимическому способу синтеза относятся к малогабаритным компактным электродам, поляризуемым в концентрированных электролитах. Электрохимический синтез СВГ, по сравнению с химическим, легко контролируется и управляется, может быть прерван на любой стадии, что позволяет получать соединения заданного состава с высокой однородностью свойств, снижает расход кислоты и промывной воды, обеспечивает меньшее загрязнение окружающей среды. Кроме того, электрохимическим способом принципиально возможно в одну стадию получать переокисленные СВГ, которые, согласно литературным данным, способны к терморасширению при пониженных температурах ТО. Однако в промышленных масштабах электрохимическая технология не реализована из-за отсутствия технологических разработок и необходимого оборудования. В связи с этим актуальным является изучение процессов анодного интеркалирования дисперсного графита в широком диапазоне концентраций растворов HN03 с целью поиска оптимальных условий синтеза терморасширяющихся соединений графита (ТРСГ) И снижения температуры ТО.

Возможность создания углеродных матриц с регулируемой пористостью на основе ТРГ и различных композитов с его применением открывает широкие перспективы для очистки и подготовки воды. В связи с этим, на наш взгляд, актуальным является поиск способов и условий формирования пористых углеродных материалов, а также изучение их адсорбционных и ионообменных свойств.

Настоящая работа является составной частью обширной программы, выполняемой на кафедре "Технология электрохимических производств" по электрохимическому синтезу СВГ акцепторного типа и использованию данных соединений в различных областях. Научно-техническим консультантом данной работы по изучению ионно-адсорбционных свойств ТРГ и изделий на его основе является доцент кафедры, к. х. н. Соловьева Нина Дмитриевна.

Цель работы состояла в изучении закономерностей электрохимического образования СВГ в растворах HNOs различной концентрации, выборе и оптимизации условий анодного синтеза СВГ, обеспечивающих их последующую переработку в пенографит. Кроме того, цель работы заключалась в изучении адсорбционных и ионообменных свойств полученных пеноструктур графита и создании на основе СВГ фильтрующих элементов для очистки воды от ионов Ni, Сг.

Научная новизна работы.

Впервые проведены системные исследования электрохимического интеркалирования дисперсного графита в 3,0-13,5М HN03. Показано, что началу процесса электрохимического внедрения предшествует индукционный период, в ходе которого в основном происходит окисление поверхностных функциональных групп (ПФГ). Обнаружено, что процесс внедрения NCV - ионов в графитовую матрицу сопровождается совнедрением молекул воды, либо быстрым гидролизом образующихся СВГ. Параллельно реакции интеркалирования протекает ряд поверхностных процессов, в том числе и анодное выделение кислорода. Роль последнего является определяющей для получения СВГ с пониженной температурой терморасширения. Эффект снижения температуры ТО достигается при значительном накоплении кислородных соединений на поверхности графитовой матрицы. Ведение синтеза СВГ в условиях выделения 02, СО, С02 подобного эффекта не дает. Методами РФА и ДСК получены новые результаты по свойствам СВГ.

Установлена возможность регулирования соотношения скоростей объемных и поверхностных реакций варьированием потенциала анодной обработки графита и сообщаемого количества электричества. Выявлена зависимость степени расширения СВГ при ТО от условий анодной обработки графита в Н3 различной концентрации, тем самым созданы условия для реализации управляемого электрохимического синтеза терморасширяющихся соединений графита. Изучены ионообменные и адсорбционные свойства ТРГ и изделий на его основе.

Практическая значимость работы. Определены условия электрохимической обработки дисперсного графита в азотнокислых электролитах, обеспечивающие синтез терморасширяющихся соединений с максимальной производительностью при наименьших энергозатратах. Полученные результаты могут служить основой для разработки эффективной технологии производства СВГ с азотной кислотой. Выявлены условия анодного синтеза, по