Изобретение относится к области сорбционной очистки поверхностных и подземных вод с высоким содержанием титана и его соединений и может быть использовано для очистки воды с получением безопасной для здоровья питьевой воды. Способ очистки поверхностных и подземных вод от титана и его соединений включает приведение загрязненных вод в контакт с адсорбентом, где в качестве адсорбента используют углеродные нанотрубки, которые помещают в ультразвуковую ванну и воздействуют на углеродные нанотрубки и очищаемую воду в режиме 1-15 мин, с частотой ультразвука 42 кГц и мощностью 50 Вт. Технический результат заключается в 100%-ной очистке воды от титана и его соединений за счет очень высоких адсорбционных показателей углеродных нанотрубок. 4 ил., 2 табл., 4 пр.
Рисунки к патенту РФ 2575029
Изобретение относится к области сорбционной очистки поверхностных и подземных вод с высоким содержанием титана и его соединений и может быть использовано для очистки вод от титана и его соединений для получения безопасной для здоровья питьевой воды.
Известен способ очистки воды от ионов тяжелых металлов, согласно которому для очистки используют в качестве адсорбента прокаленный активированный природный адсорбент, представляющий собой кремнистую породу смешанного минерального состава месторождений Татарстана, содержащую мас.%: опалкристоболит 51-70, цеолит 9-25, глинистую составляющую - монт мориллонит, гидрослюда 7-15, кальцит 10-25, и т.д. [Патент РФ 2150997, МПК B01G 20/16, B01G 20/26, опубл. 20.06.2000]. Недостатком известного способа является использование для активации материала хлористоводородной кислоты, что требует оборудования, обладающего устойчивостью к агрессивным средам. Кроме того, в способе используется довольно редко встречающаяся порода сложного минерального состава и нет данных о содержании титана и его соединений.
Известен способ получения гранулированного адсорбента на основе шунгита [Авт.св. СССР № 822881, МПК B01G 20/16, опубл. 23.04.1981].
Недостатком данного способа является использование малораспространенного минерала шунгита, который предварительно модифицирован нитратом аммония, прокаливанием при высокой температуре, что требует соответствующей аппаратуры и расхода энергии, а также обработки в агрессивных средах. Об эффективности очистки воды от титана нет данных.
Известен способ, взятый за аналог, получения органоминеральных сорбентов на основе природных алюмосиликатов, а именно цеолита, путем модифицирования предварительно термообработанного алюмосиликата полисахаридами, в частности хитозаном [Патент РФ № 2184607, МПК C02F 1/56, B01J 20/32, B01J 20/26, B01J 20/12, опубл. 10.07.2002]. Способ позволяет получать сорбенты, пригодные для эффективной очистки водных растворов от ионов металла и органических красителей различной природы.
Недостатками сорбентов, полученных описанным способом, являются их высокая степень дисперсности, что не позволяет осуществлять очистку воды током через слой сорбента (фильтр быстро забивается), а также возможность смыва со временем слоя хитозана с сорбента из-за отсутствия закрепления его на минеральной основе и нет данных об эффективной очистки от соединений тяжелых металлов, как например титан и его соединений.
Описан способ осветления и утилизации промышленных вод фильтровальных сооружений станций водоподготовки [Патент на изобретение RU № 2372297, МПК C02F 1/5, C02F 103/04, опубл. 10.11.2009].
Сущность изобретения заключается в использовании комплексного коагулянта, представляющего собой смесь водных растворов сульфата и оксихлорида алюминия в соотношении доз 2:1 по окиси алюминия.
В данном патенте приведены примеры очистки подземной воды для питьевого водоснабжения.
Недостатком описанного способа является слабая эффективность очистки от примесей, 46% осадка всплыла, а остальная часть находилась во взвешенном состоянии.
Известен способ очистки воды обработкой в подающем трубопроводе с катионным флокулянтом [Патент РФ № 2125540, МПК C02F 1/00, опубл. 27.01.1999].
Изобретение относится с способам очистки воды поверхностных водосточников и может быть использовано в области хозяйственно-питьевого или технического водоснабжения.
Сущность изобретения: дополнительно к флокулянту в трубопровод вводят минеральный коагулянт в массовом соотношении к флокулянту от 40:1 до 1:1.
Способ обеспечивает повышение эффективности агрегатирования взвешенных веществ, что позволяет снизить мутность отстоянной воды в 2-3 раза. После использования этого способа необходимо дальнейшее полное осаждение в отстойниках. Таким образом, согласно описанному способу не достигнута 100% очистка от металлов, жесткость воды снизилась с 5,7 мг-экв/л до 3 мг-экв/л, мутность снизилась до 8,0 мг/л.
Недостатком аналога является слабая эффективность очистки от металлов и органических примесей, о содержании титана нет данных.
Описана сорбционная эффективность углеродных нанотрубок (УНТ), как основа инновационной технологии очистки водно-этанольных смесей [Запороцкова Н.П. и др. Вестник ВолГУ, серия 10, вып. 5, 2011, 106 с.].
В работе выполнены квантово-механические исследования процессов адсорбции молекул тяжелых спиртов на внешней поверхности однослойных углеродных нанотрубок.
Недостатком описанной сорбционной активности УНТ является только теоретические квантово-механические расчеты, а экспериментальные исследования проведены для спиртов. Примеры для очистки от металлов отсутствуют.
Доказано положительное влияние углеродных нанотрубок на процесс очистки водно-этанольных смесей.
В настоящее время особые надежды в развитии многих областей науки и техники связывают с углеродными нанотрубками УНТ [Харрис П. Углеродные нанотрубки и родственные структуры. Новые материалы XXI века. - М.: Техносфера, 2003. - 336 с.].
Замечательная особенность УНТ связана с их уникальными сорбционными характеристиками [Елецкий А.В. Сорбционные свойства углеродных наноструктур. - Успехи физических наук. - 2004. -Т. 174, № 11. - С. 1191-1231].
Описан фильтр на основе углеродных нанотрубок для очистки спиртосодержащих жидкостей [Поликарпова Н.П. и др. Вестник ВолГУ, серия 10, вып. 6, 2012, 75 с.]. Проведены эксперименты по очистке спиртосодержащих жидкостей методами фильтрации и пропускания, установлена массовая доля УНТ, приводящая к наилучшему результату.
Выполненные экспериментальные исследования доказали, что обработка водно-этанольной смеси УНТ способствует уменьшению содержания сивушных масел и других веществ. Недостатком данного аналога является отсутствие данных по очистке воды от металлов.
В работе изучалась сорбция/десорбция Zn(II) в последовательных циклах активированным углем и УНТ. Адсорбция Zn(II) активированным углем резко снижалась после нескольких циклов, что объясняется низким удалением ионов металлов с внутренней поверхности пор активированного угля.
Гидрофобная природа УНТ обуславливает их слабое взаимодействие с молекулами воды, создавая условия для ее свободного протекания.
Noy A., Park Н.G., Fornasiero F., Holt J.K., Grigoropoulos С.P. and Bakajin О. Nanofluidics in carbon nanotubes // Nano Today. 2007, vol. 2, no. 6, pp. 22-29.
Адсорбционная емкость УНТ зависит от наличия функциональных групп на поверхности адсорбента и свойств адсорбата.
Так, например, наличие карбоксильных, лактонных и фенольных групп повышает адсорбционную емкость по полярным веществам .
УНТ, на поверхности которых отсутствуют функциональные группы, характеризуются высокой адсорбционной емкостью по неполярным загрязняющим веществам.
Один из способов создания мембраны - это выращивание УНТ на кремневой поверхности при помощи углеродсодержащих паров с использованием никеля в качестве катализатора.
УНТ - молекулярные структуры, напоминающие соломинки, из листов углерода толщиной в долю нанометра 10 -9 м, по сути это скрученный в трубку атомарный слой обычного графита - одного из наиболее перспективных материалов в области нанотехнологий. УНТ могут иметь и развернутую структуру [Сайт WCG http://www.worldcommunitygrid.org/].
Мембранная технология, которая широко используется для получения питьевой воды для жителей нашей планеты.
Имеется два существенных недостатка - энергопотребление и обрастание мембран, что удаляется только химическими способами.
Производительные и необрастающие мембраны могут быть созданы на основе углеродных нанотрубок или графена [М. Majumder et al. Nature 438, 44 (2005)].
Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ получения сорбентов для очистки воды [Патент РФ 2277013 С1, МПК B01J 20/16, B01J 20/26, B01J 20/32, опубл. 01.12.2004]. Этот патент взят за прототип. Этот способ относится к области сорбционной очистки воды, конкретно к получению сорбентов и способам очистки, и может быть использовано для очистки питьевой или промышленной воды с высоким содержанием ионов тяжелых металлов и полярных органических веществ. Способ включает обработку природного алюмосиликата раствором хитозана в разбавленной уксусной кислоте в соотношении алюмосиликата к раствору хитозана, равном 1:1, при рН 8-9.
В табл. 1 приведена сравнительная характеристика сорбентов, полученных согласно изобретению, взятому за прототип [Патент 2277013]. Приведены примеры по сорбции в отношении красителей и по сорбции ионов меди, железа и других металлов из растворов.
Недостатком прототипа является невысокая адсорбционная способность по отношению к тяжелым металлам (СОЕ) мг/л для меди Cu +2 (от 3,4 до 5,85), отсутствуют данные по адсорбции титана и его соединений. СОЕ, мг/л для Fe +3 меняется от 3,4 до 6,9.
Задачей изобретения является разработка способа очистки поверхностных и подземных вод от титана и его соединений с помощью углеродных нанотрубок и воздействием ультразвука, что позволит получить качественную питьевую чистейшую воду, повысит эффективность очистки поверхностных и подземных вод за счет высоких адсорбционных показателей УНТ.
Поставленная задача решается предлагаемым способом очистки поверхностных и подземных вод от титана и его соединений с помощью УНТ, воздействуя ультразвуком мощностью 50 Вт с частотой ультразвука в 42 кГц в течение 1-15 мин.
Способ осуществляется следующим образом. Адсорбент представляет собой однослойные углеродные нанотрубки, обладающие способностью вступать в активное взаимодействие с атомами титана и его катионами (Ti, Ti +2 , Ti +4).
Один грамм УНТ 98% чистоты вносят в 99 г воды для очистки от Ti, Ti +2 , Ti +4 , а затем все содержимое помещают в ультразвуковую ванну УХ-3560 и воздействуют ультразвуком в течение 1-15 мин мощностью 50 Ватт и с частотой ультразвука 42 кГц.
После фильтрования исследуют образцы воды, взятые для анализа. Атомно-эмиссионный анализ применяется для определения содержания титана и его соединений в пробах воды до обработки УНТ и после обработки проб воды УНТ в ультразвуковой ванне.
Предлагаемый «Способ очистки поверхностных и подземных вод от титана и его соединений с помощью углеродных нанотрубок и ультразвука» подтверждается примерами, которые будут описаны далее.
Осуществление способа в соответствии с указанными условиями позволяет получать абсолютно чистую воду с нулевым содержанием титана и его соединений (Ti, Ti +2 , Ti +4).
Технический результат достигается тем, что УНТ работает как капилляр, всасывая в себя атомы Ti и катионы титана Ti +2 и Ti +4 , размеры которых сравнимы с внутренним диаметром УНТ. Диаметр УНТ варьирует от 4,8 Å от 19,6 Å в зависимости от условий получения УНТ.
Экспериментально доказано, что полости УНТ активно заполняются различными химическими элементами.
Важной особенностью, отличающей УНТ от других известных материалов, является наличие в нанотрубке внутренней полости. Атом Ti и его катионы Ti +2 , Ti +4 проникают внутрь УНТ под действием внешнего давления либо в результате капиллярного эффекта и удерживается там благодаря сорбционным силам [Дьячков П.Н. Углеродные нанотрубки: структура, свойства, применение. - М.: Бином. Лаборатория знаний, 2006. - 293 с.].
Это обеспечивает возможность селективной адсорбции нанотрубками. Кроме того, сильно искривленная поверхность УНТ позволяет адсорбировать на ее поверхности достаточно сложные атомы и молекулы, в частности Ti, Ti +2 , Ti +4 .
При этом эффективность нанотрубок в десятки раз превосходит активность графитовых адсорбентов, являющихся на сегодняшний день самыми распространенными средствами очистки. УНТ могут адсорбировать примеси как на внешней поверхности, так и на внутренней, что позволяет проводить селективную адсорбцию.
Поэтому УНТ можно использовать для финишной очистки различных жидкостей от примесей сверхмалых концентраций.
У УНТ привлекательна высокая удельная поверхность материала УНТ, достигающая значений 600 м 2 /г и более.
Столь высокая удельная поверхность, в несколько раз превышает удельную поверхность лучших современных сорбентов, открывает возможность их использования для очистки поверхностных и подземных вод от тяжелых металлов, в частности Ti, Ti +2 , Ti +4 .
Синтез УНТ. С использованием установки синтеза углеродных нанотрубок CVDomna получен углеродный наноматериал УНТ, который применялся для очистки поверхностных и подземных вод от титана и его соединений.
Проведены экспериментальные исследования по очистке воды от титана и его соединений.
Для определения оптимального количества УНТ необходимо довести содержание титана и его соединений до сверхмалых количеств. Такая концентрация УНТ была найдена и в последующих опытах использовалась оптимальная концентрация в количестве 0,01 г на 1 л анализируемой воды.
Атомно-эмиссионный анализ показал наличие атомарного Ti и его катионов (Ti +2 , Ti +4) в исследуемых пробах воды, из чего можно сделать вывод, что именно титан и катионы Ti +2 , Ti +4 взаимодействуют с углеродными нанотрубками. Радиус атома Ti составляет 147 пм, т.е. катионы титана могут как интеркалировать в полость углеродной нанотрубки и адсорбироваться внутри (фиг. 1), так и адсорбироваться на ее внешней поверхности, образовывая также мостиковую структуру с атомами углерода гексагонов (фиг. 2), образовывая связанные молекулярные структуры.
Внедрение Ti и его катионов в полость УНТ возможно путем пошагового приближения Ti к нанотрубке вдоль ее главной продольной оси и проникновением атомов титана и его катионов в полость нанотрубки с их дальнейшей адсорбцией на внутренней поверхности УНТ. Известен также другой вариант адсорбции Ti , согласно которому один атом титана может создавать устойчивые Ti-C связи с атомами углерода с внешней стороны углеродной нанотрубки в двух простых случаях, когда Ti находится в 1/4 и 1/2 всех гексагонов (фиг. 3).
То есть адсорбция титана и его катионов на поверхности УНТ является не только теоретически доказанным фактом, но и экспериментально доказано в исследованиях.
Заявляемый сорбент представляет собой конгломерат однослойных углеродных нанотрубок, обладающих способностью вступать в активное взаимодействие с титаном и его катионами, образуя устойчивые связи, и возможностью адсорбции атомов титана и его соединений на внутренней и внешней поверхностях УНТ с образованием мостиковых структур с двумя связями Ti-C, если Ti +2 или четырьмя для Ti +4 . При очистке воды, загрязненной титаном и его соединениями, используют УНТ, происходит адсорбция титана на поверхностях УНТ за счет Ван-дер-Ваальсовых сил, то есть титан и его соединения из свободных атома и катионов Ti +2 и Ti +4 становится связанным в молекулярное соединение (фиг. 4).
Возможность осуществления изобретения иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1. Подземная вода из скважины 1) глубиной 40 м взята для исследования на содержание качественного элементного состава, а также количественного анализа на содержание титана и его соединений до очистки с помощью УНТ и после адсорбции УНТ, и обработки ультразвуком. Время воздействия ультразвука 15 мин. Содержание Ti и его соединений после очистки 0% (табл. 2).
Пример 2. Подземная вода из скважины 2) глубиной 41 м, в отличие от скважины 1) эта вода находилась на расстоянии 200 м от скважины 1) Береславского водохранилища (г. Волгоград). Время воздействия ультразвука 15 мин. Содержание Ti и его соединений после очистки 0% согласно предлагаемому изобретению (табл. 2).
Пример 3. Вода взята из водопроводного крана (Советский р-он, г. Волгограда) подверглась очистке с помощью УНТ и воздействием ультразвука в течение 15 мин, мощностью 50 Вт и рабочей частотой ультразвука 42 кГц (табл. 2).
Пример 4. Все то же что и в примере 1, но время воздействия ультразвука 1 мин.
Пример 5. Подземная вода из скважины 1) глубиной 40 м взята для анализа на содержание титана и его соединений, а затем подвергнута очистке согласно прототипа [Патент RU 2277013 ].
Время воздействия ультразвуком 15 мин (опыт 1, 2, 3, 5). Время воздействия ультразвуком 1 мин (опыт 4).
К преимуществам заявленного способа на основе УНТ можно отнести очень высокую степень адсорбции титана и его соединений. Согласно результатам эксперимента обеспечивается 100%-ная очистка исследуемых вод от титана и его соединений в оптимальных условиях.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ очистки поверхностных и подземных вод от титана и его соединений с помощью углеродных нанотрубок (УНТ) и ультразвука, включающий приведение загрязненных вод в контакт с адсорбентами для улавливания тяжелых металлов, отличающийся тем, что в качестве адсорбента используются углеродные нанотрубки, которые помещают в ультразвуковую ванну, воздействуя на УНТ и очищаемую воду в режиме 1-15 мин, с частотой ультразвука 42 кГц и мощностью 50 Вт.
Владельцы патента RU 2430879:
Изобретение относится к нанотехнологии и может быть использовано в качестве компонента композиционных материалов. Многослойные углеродные нанотрубки получают пиролизом углеводородов с использованием катализаторов, содержащих в качестве активных компонентов Fe, Co, Ni, Mo, Mn и их комбинаций, а также Al 2 O 3 , MgO, СаСО 3 в качестве носителей. Полученные нанотрубки очищают кипячением в растворе соляной кислоты с дальнейшей промывкой водой. После кислотной обработки проводят прогрев в токе высокочистого аргона в печи с градиентом температур. В рабочей зоне печи температура составляет 2200-2800°С. На краях печи температура составляет 900-1000°С. Изобретение позволяет получить многослойные нанотрубки с содержанием металлических примесей менее 1 ppm. 3 з.п. ф-лы, 9 ил., 3 табл.
Изобретение относится к области получения высокочистых многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ) с содержанием металлических примесей менее 1 ppm, которые могут использоваться в качестве компонентов композиционных материалов различного назначения.
Для массового производства МУНТ используют методы, базирующиеся на пиролизе углеводородов или монооксида углерода в присутствии металлических катализаторов на основе металлов подгруппы железа [Т.W.Ebbesen // Carbon nanotubes: Preparation and properties, CRC Press, 1997, p.139-161; V.Shanov, Yeo-Heung Yun, M.J.Schuiz // Synthesis and characterization of carbon nanotube materials (review) // Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 2006, №4, v.41, p.377-390; J.W.Seo; A.Magrez; M.Milas; K.Lee, V Lukovac, L.Forro // Catalytically grown carbon nanotubes: from synthesis to toxicity // Journal of Physics D (Applied Physics), 2007, v.40, n.6]. В силу этого получаемые с их помощью МУНТ содержат примеси металлов используемых катализаторов. Вместе с тем, для ряда приложений, например, для создания электрохимических устройств и получения композиционных материалов различного назначения, требуются высокочистые МУНТ, не содержащие примесей металлов. Высокочистые МУНТ прежде всего необходимы для получения композиционных материалов, подвергающихся высокотемпературной обработке. Это обусловлено тем, что неорганические включения могут быть катализаторами локальной графитации и в результате инициировать формирование новых дефектов в углеродной структуре [А.С.Фиалков // Углерод, межслоевые соединения и композиты на его основе, Аспект Пресс, Москва, 1997, с.588-602]. Механизм каталитического действия металлических частиц базируется на взаимодействии атомов металлов с углеродной матрицей с образованием металл-углеродных частиц с последующим выделением новых графитоподобных образований, которые могут разрушать структуру композита. Поэтому даже небольшие примеси металлов могут привести к нарушению однородности и морфологии композиционного материала.
Наиболее распространенные способы очистки каталитических углеродных нанотрубок от примесей базируются на их обработке смесью кислот с разной концентрацией при нагревании, а также в сочетании с воздействием микроволнового излучения . Однако основным недостатком данных методов является разрушение стенок углеродных нанотрубок в результате воздействия сильных кислот, а также появление большого количества нежелательных кислородсодержащих функциональных групп на их поверхности, что затрудняет подбор условий для кислотной обработки . При этом чистота получаемых МУНТ составляет 96-98 мас.%, поскольку металлические частицы катализатора инкапсулируются во внутренней полости углеродной нанотрубки и являются недоступными для реагентов.
Повышения чистоты МУНТ удается добиться путем их прогрева при температурах выше 1500°C с сохранением структуры и морфологии углеродных нанотрубок . Эти методы позволяют не только очистить МУНТ от примесей металлов, но и способствуют упорядочению структуры углеродных нанотрубок за счет отжига мелких дефектов, увеличению модуля Юнга, уменьшению расстояния между графитовыми слоями, а также удалению поверхностного кислорода, что в дальнейшем обеспечивает более равномерное диспергирование углеродных нанотрубок в полимерной матрице, необходимое для получения более качественных композитных материалов . Прокалка при температуре около 3000°С приводит к образованию дополнительных дефектов в структуре углеродных нанотрубок и развитию уже существующих дефектов. Следует отметить, что чистота углеродных нанотрубок, получаемых с помощью описанных методов, составляет не более 99.9%.
Изобретение решает задачу разработки метода очистки многослойных углеродных нанотрубок, полученных каталитическим пиролизом углеводородов, с практически полным удалением примеси катализатора (до 1 ppm), а также примесей других соединений, которые могут появляться при кислотной обработке МУНТ, с сохранением морфологии углеродных нанотрубок.
Задача решается способом очистки многослойных углеродных нанотрубок, получаемых пиролизом углеводородов с использованием катализаторов, содержащих в качестве активных компонентов Fe, Co, Ni, Mo, Mn и их комбинаций, а также Al 2 O 3 , MgO, СаСО 3 в качестве носителей, который осуществляют кипячением в растворе соляной кислоты с дальнейшей промывкой водой, после кислотной обработки проводят прогрев в токе высокочистого аргона в печи с градиентом температур, в рабочей зоне температура составляет 2200-2800°С, на краях печи температура составляет 900-1000°С, в результате чего получают многослойные нанотрубки с содержанием металлических примесей менее 1 ppm.
Прогрев проводят в ампулах, выполненных из высокочистого графита.
Время прогрева в токе аргона составляет, например, 15-60 мин.
Используют аргон с чистотой 99.999%.
Существенным отличием метода является использование для очистки МУНТ печи с градиентом температур, где в горячей зоне происходит испарение примесей металлов, а в холодной зоне происходит конденсация частиц металлов в виде мелких шариков. Для осуществления переноса паров металлов используют поток высокочистого аргона (с чистотой 99.999%) с расходом газа около 20 л/ч. Печь снабжена специальными уплотнениями, предотвращающими воздействие атмосферных газов.
Предварительная десорбция воды и кислорода воздуха с поверхности МУНТ и графитовой ампулы, в которой образец помещают в графитовую печь, а также продувка их высокочистым аргоном позволяют избежать воздействия на очищаемые МУНТ газотранспортных реакций с участием водород- и кислородсодержащих газов, приводящих к перераспределению углерода между его высокодисперсными формами и хорошо окристаллизованными графитоподобными формами с пониженной поверхностной энергией (V.L.Kuznetsov, Yu.V.Butenko, V.I.Zaikovskii and A.L.Chuvilin // Carbon redistribution processes in nanocarbons // Carbon 42 (2004) pp.1057-1061; А.С.Фиалков // Процессы и аппараты производства порошковых углеграфитовых материалов, Аспект Пресс, Москва, 2008, с.510-514).
Каталитические углеродные многослойные нанотрубки получают пиролизом углеводородов с использованием катализаторов, содержащих в качестве активных компонентов Fe, Co, Ni, Мо и их комбинаций, а также Al 2 O 3 , MgO, СаСО 3 в качестве носителей (Т.W.Ebbesen // Carbon nanotubes: Preparation and properties, CRC Press, 1997, p.139-161; V.Shanov, Yeo-Heung Yun, M.J.Schuiz // Synthesis and characterization of carbon nanotube materials (review) // Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 2006, №4, v.41, p.377-390; J.W.Seo; A.Magrez; M.Milas; K.Lee, V Lukovac, L.Forro // Catalytically grown carbon nanotubes: from synthesis to toxicity // Journal of Physics D (Applied Physics), 2007, v.40, n.6).
В предлагаемом способе для демонстрации возможности удаления примесей наиболее типичных металлов очистку проводят для двух типов МУНТ, синтезированных на катализаторах Fe-Со/Al 2 O 3 и Fe-Co/СаСО 3 , содержащих Fe и Со в соотношении 2:1. Одной из наиболее важных особенностей использования данных катализаторов является отсутствие в синтезированных образцах других фаз углерода, кроме МУНТ. В присутствии катализатора Fe-Со/Al 2 O 3 получают МУНТ со средними внешними диаметрами 7-10 нм, а в присутствии катализатора Fe-Co/СаСО 3 получают МУНТ с большими средними внешними диаметрами - 22-25 нм.
Полученные образцы исследуют методом просвечивающей электронной микроскопии, рентгеноспектральным флуоресцентным методом на анализаторе ARL - Advant"x с Rh-анодом рентгеновской трубки (точность измерений ±10%), а также измеряют удельную поверхность образцов методом БЭТ.
По данным ПЭМ, исходные образцы состоят из высокодефектных МУНТ (Фиг.1, 6). Фрагменты трубок в районе изгибов имеют плавные, закругленные контуры; на поверхности трубок наблюдается большое количество фуллереноподобных образований. Графеноподобные слои нанотрубок характеризуются наличием большого количества дефектов (разрывов, Y-подобных соединений и др.). На некоторых участках трубок наблюдается несоответствие числа слоев на различных сторонах МУНТ. Последнее свидетельствует о наличии незамкнутых протяженных графеновых слоев, в основном локализованных внутри трубок. Электронно-микроскопические изображения прогретых МУНТ в токе высокочистого аргона при температурах 2200°С - Фиг.2, 7; 2600°С - Фиг.3, 8; 2800°С - Фиг.4, 5, 9. В образцах после прокаливания наблюдаются более ровные МУНТ с меньшим количеством как внутренних, так и приповерхностных дефектов. Трубки состоят из прямолинейных фрагментов порядка сотен нанометров с четко выраженными изломами. С увеличением температуры прокаливания увеличиваются размеры прямолинейных участков. Количество графеновых слоев в стенках трубок с разных сторон становится одинаковым, что делает структуру МУНТ более упорядоченной. Внутренняя поверхность трубок также претерпевает существенные изменения - удаляются частицы металлов, внутренние перегородки становятся более упорядоченными. Более того, концы трубок закрываются - происходит замыкание графеновых слоев, образующих трубки.
Прокаливание образцов при 2800°С приводит к образованию небольшого количества укрупненных углеродных образований цилиндрической формы, состоящих из вложенных друг в друга графеновых слоев, что может быть связано с переносом углерода на небольшие расстояния за счет увеличения давления паров графита.
Исследования образцов исходных и прогретых МУНТ рентгеноспектральным флуоресцентным методом показали, что после прогрева образцов многослойных углеродных нанотрубок при температурах в интервале 2200-2800°С количество примесей уменьшается, что также подтверждается методом просвечивающей электронной микроскопии. Прогрев образцов МУНТ при 2800°С обеспечивает практически полное удаление примесей из образцов. При этом удаляются не только примеси металлов катализаторов, но и примеси других элементов, попадающих в МУНТ на стадиях кислотной обработки и отмывки. В исходных образцах соотношение железа к кобальту приблизительно равно 2:1, что соответствует исходному составу катализаторов. Содержание алюминия в исходных трубках, полученных на образцах катализатора Fe-Со/Al 2 O 3 , небольшое, что связано с его удалением при обработке нанотрубок кислотой при отмывании катализатора. Результаты исследования содержания примесей рентгеноспектральным флуоресцентным методом приведены в таблицах 1 и 2.
Измерение удельной поверхности методом БЭТ показало, что при повышении температуры удельная поверхность образцов МУНТ изменяется незначительно с сохранением структуры и морфологии углеродных нанотрубок. По данным ПЭМ, снижение удельной поверхности можно связать как с закрытием концов МУНТ, так и уменьшением количества поверхностных дефектов. При повышении температуры возможно образование незначительной доли укрупненных образований цилиндрической формы с увеличенным числом слоев и соотношением длины к ширине, приблизительно равном 2-3, что также способствует понижению удельной поверхности. Результаты исследования удельной поверхности приведены в таблице 3.
Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами, таблицами (таблицы 1-3) и иллюстрациями (Фиг.1-9).
Навеску МУНТ (10 г), полученную пиролизом этилена в присутствии катализатора Fe-Со/Al 2 O 3 в проточном кварцевом реакторе при температуре 650-750°С, помещают в графитовую ампулу высотой 200 мм и внешним диаметром 45 мм и закрывают ее крышкой (10 мм в диаметре) с отверстием (1-2 мм в диаметре). Графитовую ампулу помещают в кварцевую ампулу и откачивают воздух с помощью вакуумного насоса до давления не менее 10 -3 Торр с последующей продувкой высокочистым аргоном (чистота 99.999%) сначала при комнатной температуре, а потом при температуре 200-230°С для удаления кислородсодержащих поверхностных групп и следов воды. Образец прогревают при температуре 2200°С в течение 1 ч в потоке высокочистого аргона (~20 л/ч) в печи с градиентом температур, где в рабочей зоне температура сохраняется и составляет 2200°С, а на краях печи температура составляет 900-1000°С. Испаряющиеся в процессе нагрева из МУНТ атомы металла удаляются из горячей части печи в холодную потоком аргона, где происходит осаждение металла в виде мелких шариков.
После прокаливания проводят исследование полученного материала методом просвечивающей электронной микроскопии и рентгеноспектральным флуоресцентным методом. На Фиг.1 приведены электронно-микроскопические изображения исходных МУНТ, на Фиг.2 - прогретых при 2200°С МУНТ. С использованием метода БЭТ определяют удельную площадь поверхности образцов МУНТ до и после прокаливания. Полученные данные свидетельствуют о незначительном уменьшении удельной поверхности образцов после прокаливания при сравнении с удельной поверхностью исходного образца МУНТ.
Аналогично примеру 1, отличающемуся тем, что навеску исходных МУНТ прогревают при 2600°С в течение 1 ч в потоке высокочистого аргона (~20 л/ч) в печи с градиентом температур, где в рабочей зоне температура сохраняется и составляет 2600°С, на краях печи температура составляет 900-1000°С. Изображения прогретых МУНТ, полученных методом просвечивающей электронной микроскопии, приведены на Фиг.3. На снимках ПЭМ высокого разрешения видны закрытые концы нанотрубок.
Аналогично примеру 1, отличающемуся тем, что навеску исходных МУНТ прогревают при 2800°С в течение 15 мин в потоке высокочистого аргона (~20 л/ч) в печи с градиентом температур, где в рабочей зоне температура сохраняется и составляет 2800°С, на краях печи температура составляет 900-1000°С. Изображения прогретых МУНТ, полученных методом просвечивающей электронной микроскопии, приведены на Фиг.4.
Прокаливание при 2800°С приводит к формированию небольшого количества укрупненных образований цилиндрической формы с увеличенным числом слоев и соотношением длины к ширине, приблизительно равном 2-3. Эти укрупнения видны на снимках ПЭМ (Фиг.5).
Аналогично примеру 1, отличающемуся тем, что исходные МУНТ получены в присутствии катализатора Fe-Co/СаСО 3 . Изображения исходных МУНТ и прогретых при 2200°С МУНТ, полученные методом просвечивающей электронной микроскопии, приведены на Фиг.6, 7 соответственно. На снимках ПЭМ исходных МУНТ видны частицы металла, инкапсулированные в каналах трубок (отмечены стрелками).
Аналогично примеру 4, отличающемуся тем, что навеска исходного МУНТ прогрета при 2600°С. Изображения прогретых МУНТ, полученные методом просвечивающей электронной микроскопии, приведены на Фиг.8. На снимках ПЭМ высокого разрешения видны закрытые концы нанотрубок.
Аналогично примеру 4, отличающемуся тем, что навеска исходного МУНТ прогрета при 2800°С в течение 15 мин. Изображения прогретых МУНТ, полученные методом просвечивающей электронной микроскопии, приведены на Фиг.9. На снимках видно образование незначительной доли укрупнений.
| Таблица 1 | ||||
| Данные рентгеноспектрального флуоресцентного метода по содержанию примесей в МУНТ после прогревания, полученных с использованием катализатора Fe-Со/Al 2 O 3 | ||||
| Элемент | ||||
| Исходные МУНТ | МУНТ_2200°С пример 1 | МУНТ_2600°С пример 2 | МУНТ_2800°С пример 3 | |
| Fe | 0.136 | 0.008 | следы | следы |
| Со | 0.0627 | следы | следы | следы |
| Al | 0.0050 | следы | следы | следы |
| Са | следы | 0.0028 | 0.0014 | следы |
| Ni | 0.0004 | следы | следы | следы |
| Si | 0.0083 | 0.0076 | следы | нет |
| Ti | нет | 0.0033 | следы | следы |
| S | следы | нет | нет | нет |
| Cl | 0.111 | нет | нет | нет |
| Sn | 0.001 | 0.001 | следы | следы |
| Ba | нет | нет | нет | нет |
| Cu | 0.001 | 0.001 | следы | следы |
| следы - содержание элемента ниже 1 ppm |
| Таблица 2 | ||||
| Данные рентгеноспектрального флуоресцентного метода по содержанию примесей в МУНТ после прогревания, полученных с использованием катализатора Fe-Co/СаСО 3 | ||||
| Элемент | Оценка содержания примесей, мас.% | |||
| Исходные МУНТ | МУНТ_2200°С пример 4 | МУНТ_2600°С пример 5 | МУНТ_2800°С пример 6 | |
| Fe | 0.212 | 0.0011 | 0.0014 | 0.001 |
| Со | 0.0936 | следы | следы | следы |
| Al | 0.0048 | следы | следы | следы |
| Са | 0.0035 | 0.005 | 0.0036 | следы |
| Ni | 0.0003 | следы | следы | следы |
| Si | 0.0080 | 0.0169 | 0.0098 | следы |
| Ti | нет | следы | 0.0021 | 0.0005 |
| S | 0.002 | нет | нет | нет |
| Cl | 0.078 | нет | нет | нет |
| Sn | 0.0005 | следы | следы | следы |
| Ba | 0.008 | нет | нет | нет |
| Cu | следы | следы | следы | следы |
| Таблица 3 | |
| Удельная поверхность БЭТ исходных и прогретых образов МУНТ | |
| Образец МУНТ (катализатор) | S уд., м 2 /г (±2.5%) |
| МУНТ_исх (Fe-Со/Al 2 O 3) | 390 |
| МУНТ_2200 (Fe-Со/Al 2 O 3) пример 1 | 328 |
| МУНТ_2600 (Fе-Со/Al 2 O 3) пример 2 | 302 |
| МУНТ_2800 (Fe-Со/Al 2 O 3) пример 3 | 304 |
| МУНТ_исх (Fe-Co/СаСО 3) | 140 |
| МУНТ_2200 (Fe-Co/СаСО 3) пример 4 | 134 |
| МУНТ_2600 (Fe-Co/СаСО 3) пример5 | 140 |
| МУНТ_2800 (Fe-Co/СаСО 3) пример 6 | 134 |
Подписи к фигурам:
Фиг.1. Электронно-микроскопические изображения исходного образца МУНТ, синтезированного на катализаторе Fe-Со/Al 2 O 3 . Слева - изображение ПЭМ низкого разрешения. Справа, внизу - изображение ПЭМ высокого разрешения, на котором видны дефектные стенки МУНТ.
Фиг.2. Электронно-микроскопические изображения прогретого при температуре 2200°С образца МУНТ, синтезированного на катализаторе Fe-Со/Al 2 O 3 . Слева - изображение ПЭМ низкого разрешения. Справа, внизу - изображение ПЭМ высокого разрешения. Структура МУНТ становится менее дефектной, концы нанотрубок закрываются.
Фиг.3. Электронно-микроскопические изображения прогретого при температуре 2600°С образца МУНТ, синтезированного на катализаторе Fe-Со/Al 2 O 3 . Слева - изображение ПЭМ низкого разрешения. Справа, внизу - изображение ПЭМ высокого разрешения, на которых видны закрытые концы МУНТ. Стенки МУНТ становятся более ровными и менее дефектными.
Фиг.4. Электронно-микроскопические изображения прогретого при температуре 2800°С образца МУНТ, синтезированного на катализаторе Fe-Со/Al 2 O 3 . Слева - изображение ПЭМ низкого разрешения. Справа, внизу - изображение ПЭМ высокого разрешения, на котором видны менее дефектные стенки МУНТ.
Фиг.5. Электронно-микроскопические изображения прогретого при температуре 2800°С образца МУНТ, синтезированного на катализаторе Fe-Со/Al 2 O 3 , отображающие появление дефектов в структуре МУНТ, представляющие собой цилиндрические образования, состоящие из вложенных друг в друга графеновых слоев, которые отображены на правом верхнем ПЭМ изображении высокого разрешения.
Фиг.6. Электронно-микроскопические изображения исходного образца МУНТ, синтезированного на катализаторе Fe-Co/СаСО 3 . Слева - изображение ПЭМ низкого разрешения. Справа, внизу - изображение ПЭМ высокого разрешения, на котором видна неровная поверхность МУНТ. Справа, вверху видны частицы катализатора, инкапсулированные внутри каналов углеродных нанотрубок (отмечены стрелками).
Фиг.7. Электронно-микроскопические изображения прогретого при температуре 2200°С образца МУНТ, синтезированного на катализаторе Fe-Co/СаСО 3 . Слева - изображение ПЭМ низкого разрешения. Справа, внизу - изображение ПЭМ высокого разрешения, на котором видны более ровные стенки МУНТ.
Фиг.8. Электронно-микроскопические изображения прогретого при температуре 2600°С образца МУНТ, синтезированного на катализаторе Fe-Co/СаСО 3 . Слева - изображение ПЭМ низкого разрешения. Справа, внизу - изображение ПЭМ высокого разрешения, на котором видны закрытые концы МУНТ. Стенки МУНТ становятся более ровными и менее дефектными.
Фиг.9. Электронно-микроскопические изображения прогретого при температуре 2800°С образца МУНТ, синтезированного на катализаторе Fe-Co/СаСО 3 . Слева - изображение ПЭМ низкого разрешения. Справа, внизу - изображение ПЭМ высокого разрешения.
1. Способ очистки многослойных углеродных нанотрубок, получаемых пиролизом углеводородов с использованием катализаторов, содержащих в качестве активных компонентов Fe, Co, Ni, Mo, Mn и их комбинаций, а также Al 2 O 3 , MgO, СаСО 3 - в качестве носителей, кипячением в растворе соляной кислоты с дальнейшей промывкой водой, отличающийся тем, что после кислотной обработки проводят прогрев в токе высокочистого аргона в печи с градиентом температур, где в рабочей зоне температура составляет 2200-2800°С, на краях печи температура составляет 900-1000°С, в результате чего получают многослойные нанотрубки с содержанием металлических примесей менее 1 ppm.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что прогрев проводят в ампулах, выполненных из высокочистого графита.
Ни один из распространенных способов получения УНТ не позволяет выделить их в чистом виде. Примесями к НТ могут быть фуллерены, аморфный углерод, графитизированные частицы, частицы катализатора.
Применяют три группы методов очистки УНТ:
1) разрушающие,
2) неразрушающие,
3) комбинированные.
Разрушающие методы используют химические реакции, которые могут быть окислительными или восстановительными и основаны на различиях в реакционной способности различных углеродных форм. Для окисления используют либо растворы окислителей, либо газообразные реагенты, для восстановления – водород. Методы позволяют выделять УНТ высокой чистоты, но связаны с потерями трубок.
Неразрушающие методы включают экстрагирование, флокуляцию и селективное осаждение, микрофильтрацию с перекрестным током, вытеснительную хроматографию, электрофорез, селективное взаимодействие с органическими полимерами. Как правило, эти методы малопроизводительны и неэффективны.
Вместе с тем, показано, что очистка ОУНТ, полученных лазерно-термическим методом, путем фильтрации с озвучиванием позволяет получить материал чистотой более 90% с выходом 30–70% (в зависимости от чистоты исходной сажи).
Экстрагирование применяется исключительно для удаления фуллеренов, при большом количестве которых их извлекают сероуглеродом или другими органическими растворителями.
Основную массу катализатора и носителя катализатора удаляют отмывкой в серной и азотной кислотах, а также их смеси. Если носителем катализатора служит силикагель, кварц или цеолиты, применяют фтористоводородную кислоту или растворы щелочей. Для удаления оксида алюминия применяют концентрированные растворы щелочей. Металлы-катализаторы, окклюдированные в полости УНТ или окруженные графитовой оболочкой, при этом не удаляются.
Аморфный углерод удаляют либо окислением, либо восстановлением. Для восстановления используют водород при температуре не ниже 700 о С, для окисления – воздух, кислород, озон, диоксид углерода или водные растворы окислителей. Окисление на воздухе начинает протекать при 450 о С. При этом часть УНТ (преимущественно наименьшего диаметра) окисляется полностью, что способствует раскрытию остальных трубок и удалению не удаленных при первичной кислотной обработке частиц катализаторов. Последние выводят вторичной отмывкой в кислоте. Для получения наиболее чистого продукта операции кислотной и газовой очистки могут повторяться несколько раз, сочетаться друг с другом и с физическими методами.
В некоторых случаях первичную кислотную очистку проводят в две стадии, с использованием сначала разбавленной кислоты (для удаления основной массы катализатора и носителя), а затем концентрированной (для удаления аморфного углерода и очистки поверхности УНТ) с промежуточными операциями фильтрации и промывки.
Поскольку частицы оксидов металлов катализируют окисление УНТ и вызывают снижение выхода очищенного продукта, используется дополнительная операция их пассивирования путем переведения во фториды действием SF 6 или других реагентов. Выход очищенных УНТ при этом повышается.
Для очистки материалов, получаемых дуговым и лазерно-термическим методом в университете Райса (США), было разработано несколько методов. «Старый» метод включал операции окисления 5 М HNO 3 (24 ч, 96 о С), нейтрализацию NaOH, диспергирование в 1%-ном водном растворе Тритона Х-100, фильтрацию с перекрестным током. К его недостаткам относится соосаждение гидроксидов Ni и Со вместе с УНТ, трудности удаления графитизированных частиц и органических солей Na, вспенивание при сушке в вакууме, низкая эффективность фильтрации, большая длительность процесса и низкий выход очищенных трубок.
«Новый» метод предусматривал окисление 5 М HNO 3 в течение 6 ч, центрифугирование, промывку и нейтрализацию осадка NaOH, повторное окисление HNO 3 с повторным центрифугированием и нейтрализацией, промывку метанолом, диспергирование в толуоле и отфильтровывание. Этот метод также не позволяет добиться полной очистки, хотя по выходу УНТ (50–90%) превосходит «старый» метод.
Использование органических растворителей непосредственно после кипячения в кислоте позволяет удалить 18–20% примесей, половина которых приходится на фуллерены, а другая – на растворимые углеводороды.
Полученные дуговым методом ОУНТ (5% катализатора, состоящего из Ni, Co и FeS с отношением 1:1:1) сначала окисляли на воздухе при 470 о С в течение 50 мин во вращающейся лабораторной печи, затем удаляли примеси металлов многократной промывкой 6 М HCl, добиваясь полного обесцвечивания раствора. Выход ОУНТ, содержащих менее 1 мас.% нелетучего остатка, составил 25–30%.
Разработан процесс очистки дуговых ОУНТ, включающий помимо окисления на воздухе и кипячения в HNO 3 , обработки раствором HCl и нейтрализации УЗ-диспергирование в диметилформамиде или N -метил-2-пирролидоне с последующим центрифугированием, испарением растворителя и вакуумным отжигом при 1100 о С.
Описана очистка пиролитических ОУНТ и МУНТ в две стадии: путем длительного (12 ч) озвучивания при 60 о С в растворе Н 2 О 2 для удаления углеродных примесей на первой стадии и озвучивания 6 ч в HCl для удаления примеси Ni на второй. После каждой стадии проводили центрифугирование и фильтрацию.
Для очистки ОУНТ, полученных методом HiPco и содержащих до 30 мас.% Fe, также описан двухстадийный метод, включающий окисление на воздухе (в частности, в микроволновой печи) и последующую отмывку концентрированной HCl.
Еще большее число стадий (диспергирование в горячей воде при озвучивании, взаимодействие с бромной водой при 90 о С в течение 3 ч, окисление на воздухе при 520 о С в течение 45 мин, обработка 5 М HCl при комнатной температуре) использовано для очистки МУНТ, полученных пиролизом раствора ферроцена в бензоле и содержащих до 32 мас.% Fe. После промывки и сушки при 150 о С в течение 12 ч содержание Fe снизилось до нескольких процентов, а выход составлял до 50%.
Окисление газами может привести к развитию пористости НТ и НВ, длительное кипячение в азотной кислоте – к полной деградации этих веществ.
При относительно большом количестве кремния (лазерно-термический способ) первичный продукт нагревают в концентрированной фтористоводородной кислоте, затем добавляют HNO 3 и ведут обработку при 35–40 о С еще 45 мин. Операции связаны с использованием сильно корродирующих сред и выделением ядовитых газов.
Для удаления цеолита, используемого при получении ОУНТ каталитическим пиролизом паров этанола, окисленный на воздухе продукт обрабатывают водным раствором NaOH (6 н) при кратковременном (5 мин) озвучивании, а собранный на фильтре остаток отмывают HCl (6 н).
Отделение ОУНТ от примесей других форм углерода и металлических частиц может быть проведено при ультразвуковом диспергировании трубок в растворе полиметилметакрилата в монохлорбензоле с последующей фильтрацией.
Для очистки ОУНТ часто рекомендуют использовать их функциализацию. Описан, в частности, метод, включающий три последовательных операции: функциализацию с использованием азометинилида в среде диметилформамида (см. разд. 4.5), медленное осаждение функциализованных ОУНТ при добавлении диэтилового эфира к раствору трубок в хлороформе, удаление функциональных групп и регенерация ОУНТ нагреванием при 350 о С и отжигом при 900 о С. На первой стадии происходит удаление металлических частиц, на второй – аморфного углерода. Содержание Fe в трубках HiPco, очищенных таким методом, снижается до 0,4 мас.%.
Взаимодействие с ДНК может использоваться для разделения металлических ОУНТ от полупроводниковых. В лабораториях имеется широкий набор разнообразных однониточных ДНК, выбирая которые удается добиться селективного обволакивания и последующего разделения исходной смеси на фракции хроматографическим методом.
К физическим методам относится переведение исходной смеси в водный раствор с помощью длительной ультразвуковой обработки в присутствии поверхностно-активных веществ или обволакивающих растворимых полимеров, микрофильтрация, центрифугирование, высокоэффективная жидкостная хроматография, гель-проникающая хроматография. Получение дисперсий, пригодных для хроматографии, использовали прививку цвиттер-ионов (см. разд. 4.5).
Предполагается, что развитие хроматографических методов позволит разделять УНТ не только по длине и диаметру, но и по хиральности, отделять трубки с металлическими свойствами от трубок с полупроводниковым типом проводимости. Для разделения ОУНТ с различными электронными свойствами испытано селективное осаждение металлических трубок в растворе октадециламина в тетрагидрофуране (амин прочнее адсорбируется на полупроводниковых трубках и оставляет их в растворе).
Примером использования неразрушающих методов очистки и разделения УНТ по размерам служит также способ, разработанный учеными из Швейцарии и США. Исходный материал, полученный дуговым методом, с помощью додецилсульфата натрия переводили в водный коллоидный раствор (концентрация ПАВ была слегка выше критической концентрации мицеллообразования). При повышении концентрации ПАВ получали агрегаты УНТ, которые отфильтровывали при интенсивном озвучивании через трековые мембраны с порами 0,4 мкм. После повторного диспергирования в воде операцию повторяли несколько раз, добиваясь желательной степени очистки УНТ.
Метод капиллярного электрофореза малопроизводителен, хотя позволяет не только очищать УНТ, но и разделять их по длине или диаметру. При разделении используют дисперсии, стабилизированные ПАВ или растворимыми полимерами. Об очистке и разделении УНТ методом диэлектрофореза см. в разд. 4.13.
Разработан неразрушающий метод разделения очищенных и укороченных УНТ по фракциям с отличающимися по размеру трубками в перекрестных (асимметричных) потоках жидкости.
Для укрупнения частиц металлов-катализаторов проводят отжиг в водороде при 1200 о С, после чего растворяют металлы в кислоте. Полное удаление металлов-катализаторов и носителей катализаторов вне зависимости от формы их нахождения в смеси может быть проведено высокотемпературным (1500–1800 о С) вакуумным отжигом. При этом удаляются и фуллерены, УНТ увеличиваются в диаметре и становятся менее дефектными. Для полного отжига дефектов требуются температуры выше 2500 о С. Вакуумный отжиг при 2000 о С использован для повышения устойчивости МУНТ к кислотной обработке.
Для очистки от примесей углеродных волокон, образующихся при пиролизе углеводородов, рекомендовано замораживание жидким азотом.
Выбор того или иного варианта очистки зависит от состава очищаемой смеси, структуры и морфологии НТ, количества примесей и от требований к конечному продукту. В пиролитических УНТ и особенно УНВ содержится меньше аморфного углерода или вовсе его нет.
При оценке чистоты УНТ наибольшую трудность представляет определение содержания примеси аморфного углерода. Раман-спектроскопия (см. гл. 8) дает лишь качественную картину. Более надежным, но в то же время и трудоемким методом является спектроскопия в ближней ИК-области (Иткис, 2003).
В США создан стандарт чистоты ОУНТ.
ние в серной кислоте, содержащей хромовый ангидрид. Однако необходимо предварительное удаление крупной фракции гранул наноалмаза. Список литературы 1. Spitsyn B.V., Davidson J.L., Gradoboev M.N., Galushko T.B., Serebryakova N.V., Karpukhina T.A., Kulakova I.I., Melnik N.N. Inroad to modification of detonation nanodiamond // Diamond and Related Materials, 2006, Vol. 15, p. 296-299 2. Пат. 5-10695, Япония (А), Хромопокрывающий раствор, Tokyo Daiyamondo Kogu Seisakusho K.K., 27.04.1993 3. Долматов, В.Ю. Ультрадисперсные алмазы детонационного синтеза как основа нового класса композиционных металл-алмазных гальванических покрытий/ В.Ю.Долматов, Г.К.Буркат // Сверхтвердые материалы, 2000, Т. 1.- С. 84-94 4. Gregory R. Flocculation and sedimentation - the basic principles // Spec. Chem., 1991, Vol. 11, № 6, p. 426-430 УДК 661.66 Н.Ю. Бирюкова1, А. Н. Коваленко1, С.Ю. Царева1, Л.Д. Исхакова2, Е.В. Жариков1 Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия Научный центр волоконной оптики РАН, Москва, Россия 1 2 ОЧИСТКА УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ КАТАЛИТИЧЕСКОГО ПИРОЛИЗА БЕНЗОЛА In this work the results of experimental studies of purification and separation of multi-walled nanotubes by physical and chemical methods are presented. The efficiency of each stage has been controlled by studying of morphological characteristics of pyrolysis products. В работе представлены результаты экспериментальных исследований очистки и разделения многослойных углеродных нанотрубок физическими и химическими методами. Эффективность каждой стадии очистки контролировали по изменению морфологических характеристик продуктов пиролиза. Метод каталитического пиролиза углеводородов является одним из перспективных методов синтеза углеродных нанотрубок. Метод позволяет получать однослойные, многослойные нанотрубки, ориентированные массивы углеродных наноструктур при соответствующей организации параметров синтеза. Вместе с тем, продукт, полученный пиролизом углеродосодержащих соединений, наряду с нанотрубками содержит значительное количество примесей, таких как частицы катализатора, аморфный углерод, фуллерены и др. Для удаления этих примесей обычно используют физические методы (центрифугирование, ультразвуковое воздействие, фильтрация) в сочетании с химическими (окисление в газовых или жидких средах при повышенных температурах). В работе отрабатывалась комбинированная методика очистки и разделения многослойных нанотрубок от побочных продуктов, определялась эффективность различных реагентов. Исходный депозит был получен методом каталитического пиролиза бензола с использованием в качестве предкатализатора пентакарбонила железа. Депозит обрабатывался соляной, серной и азотной кислотами. Агрегаты нанотрубок разбивали ультразвуком с частотой 22 кГц. Для разделения депозита по фракциям использовали центрифугирование (3000 об/мин, продолжительность обработки – до 1 часа). Кроме кислотной, использовали также термическую обработку нанотрубок на У С П Е Х И в химии и химической технологии. Том XXI. 2007. №8 (76) 56 воздухе. Для достижения наилучшей очистки устанавливалась оптимальная последовательность различных методов. Морфологические характеристики продуктов пиролиза и степень очистки контролировали методами сканирующей электронной микроскопии, рамановской спектроскопии и рентгенофазового анализа. УДК 541.1 Е.Н. Голубина, Н.Ф. Кизим, В.В. Москаленко Новомосковский институт Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева, Новомосковск, Россия ВЛИЯНИЕ НАНОСТРУКТУР НА ОСОБЕННОСТИ ЭКСТРАКЦИИ В СИСТЕМЕ ВОДА – ErCl3 – Д2ЭГФК – ГЕПТАН КИНЕТИКИ The kinetic feature of extracted Er(III) the solution of D2EHPA in heptane (the concentrated area on kinetic curve, the high rate of its accumulation at dynamic interfacial layers in beginning of process, the extremal disposition in depending of reviewed thickness of dynamic interfacial layers from ratio concentration element and solvent) are indicate at significant part of nanostructures in process of extraction. Кинетические особенности извлечения эрбия (III) растворами Д2ЭГФК в гептане (концентрационные площадки на кинетических кривых, высокая скорость его накопления в ДМС в начале процесса, экстремальный характер зависимости наблюдаемой толщины ДМС от соотношения концентраций элемента и экстрагента) указывают на существенную роль наноструктур в процессе экстракции. Известно , что в экстракционных системах могут возникать различные нанообъекты: адсорбционные слои, мицеллы, мицеллярные гели, везикулы, полимерные гели, кристаллические гели, микроэмульсия, нанодисперсия, эмульсия. В частности, в системе La(OH)3-Д2ЭГФК-декан-вода образуется органогель, пространственная структура которого построена из палочкообразных частиц диаметром ≈0,2 и длиной 2-3 мкм . Натриевая соль Д2ЭГФК в отсутствии воды образует обратные цилиндрические мицеллы с радиусом 53 нм . В поперечном сечении мицеллы располагаются три молекулы NaД2ЭГФ, ориентированных полярными группами к центру и углеводородными цепями в сторону органического растворителя. Состояние такой решетки зависит от природы элемента . В случае Со(Д2ЭГФ)2 образуются макромолекулярные структуры со значением числа агрегации больше 225. В случае Ni(Д2ЭГФ)2 (возможно и Ni(Д2ЭГФ)2⋅2Н2О) возникают агрегаты с числом агрегации ≈5,2. При определенных условиях возможно образование полимерных молекулярных структур с гидродинамическим радиусом ≈15 нм. При экстракции лантана растворами Д2ЭГФК происходит образование объемного и структурно-жесткого алкилфосфата лантана, что обуславливает снижение эластичности монослоя алкилфосфата лантана на границе раздела фаз . Образование наноструктур оказывает влияние, как на равновесные свойства системы, так и на кинетику процесса. Экстракция РЗЭ осложнена протеканием многочисленных межфазных процессов, таких как возникновение и развитие спонтанной поверхностной конвекции (СПК), образование структурно-механического барьера, диспергирование фаз и т.п. В результате химической реакции между Д2ЭГФК и элементом образуется труднорастворимая соль, которая обуславливает образование наноструктур по механизму «от меньшего к большему» . Целью данной работы явилось установление влияния наноструктур на кинетические особенности экстракции эрбия(III) растворами Д2ЭГФК в гептане. У С П Е Х И в химии и химической технологии. Том XXI. 2007. №8 (76) 57
Очистка углеродных нанотрубок
Ни один из распространенных способов получения УНТ не позволяет выделить их в чистом виде. Примесями к НТ могут быть фуллерены, аморфный углерод, графитизированные частицы, частицы катализатора.
Применяют три группы методов очистки УНТ:
разрушающие,
неразрушающие,
комбинированные.
Разрушающие методы используют химические реакции, которые могут быть окислительными или восстановительными и основаны на различиях в реакционной способности различных углеродных форм. Для окисления используют либо растворы окислителей, либо газообразные реагенты, для восстановления - водород. Методы позволяют выделять УНТ высокой чистоты, но связаны с потерями трубок.
Неразрушающие методы включают экстрагирование, флокуляцию и селективное осаждение, микрофильтрацию с перекрестным током, вытеснительную хроматографию, электрофорез, селективное взаимодействие с органическими полимерами. Как правило, эти методы малопроизводительны и неэффективны.
Свойства углеродных нанотрубок
Механические. Нанотрубки, как было сказано, являются на редкость прочным материалом, как на растяжение, так и на изгиб. Более того, под действием механических напряжений, превышающих критические, нанотрубки не "рвутся", а перестраиваются. Основываясь на таком свойстве нанотрубок как высокая прочность, можно утверждать, что они являются наилучшим материалом для троса космического лифта на данный момент. Как показывают результаты экспериментов и численного моделирования, модуль Юнга однослойной нанотрубки достигает величин порядка 1-5 ТПа, что на порядок больше, чем у стали. Приведённый ниже график показывает сравнение однослойной нанотрубки и высокопрочной стали.
1 - Трос космического лифта по подсчётам должен выдерживать механическое напряжение 62,5 ГПа
2 - Диаграмма растяжения (зависимость механического напряжения у от относительного удлинения е)
Чтобы продемонстрировать существенное различие между самыми прочными на текущий момент материалами и углеродными нанотрубками, проведём следующий мысленный эксперимент. Представим, что, как это предполагалось ранее, тросом для космического лифта будет служить некая клиновидная однородная структура, состоящая из самых прочных на сегодняшний день материалов, то диаметр троса у GEO (geostationary Earth orbit) будет около 2 км и сузится до 1 мм у поверхности Земли. В этом случае общая масса составит 60*1010 тонн. Если бы в качестве материала использовались углеродные нанотрубки, то диаметр троса у GEO составил 0,26 мм и 0,15 мм у поверхности Земли, в связи с чем общая масса была 9,2 тонн. Как видно из вышеуказанных фактов, углеродное нановолокно - это как раз тот материал, который необходим при постройке троса, реальный диаметр которого составит около 0,75 м, чтобы выдержать также электромагнитную систему, использующуюся для движения кабины космического лифта.
Электрические. Вследствие малых размеров углеродных нанотрубок только в 1996 году удалось непосредственно измерить их удельное электрическое сопротивление четырёхконтактным способом.
На полированную поверхность оксида кремния в вакууме наносили золотые полоски. В промежуток между ними напыляли нанотрубки длиной 2-3 мкм. Затем на одну из выбранных для измерения нанотрубок наносили 4 вольфрамовых проводника толщиной 80 нм. Каждый из вольфрамовых проводников имел контакт с одной из золотых полосок. Расстояние между контактами на нанотрубке составляло от 0,3 до 1 мкм. Результаты прямого измерения показали, что удельное сопротивление нанотрубок может изменяться в значительных пределах - от 5,1*10 -6 до 0,8 Ом/см. Минимальное удельное сопротивление на порядок ниже, чем у графита. Большая часть нанотрубок обладает металлической проводимостью, а меньшая проявляет свойства полупроводника с шириной запрещённой зоны от 0,1 до 0,3 эВ.
Французскими и российскими исследователями (из ИПТМ РАН, Черноголовка) было открыто ещё одно свойство нанотрубок, как сверхпроводимость. Они проводили измерения вольт-амперных характеристик отдельной однослойной нанотрубки диаметром ~1нм, свернутого в жгут большого числа однослойных нанотрубок, а также индивидуальных многослойных нанотрубок. Сверхпроводящий ток при температуре, близкой к 4К, наблюдался между двумя сверхпроводящими металлическими контактами. Особенности переноса заряда в нанотрубке существенно отличаются от тех, которые присущи обычным, трехмерным проводникам и, по-видимому, объясняются одномерным характером переноса.
Также де Гиром из Университета Лозанны (Швейцария) было обнаружено интересное свойство: резкое (около двух порядков величины) изменение проводимости при небольшом, на 5-10о, изгибе однослойной нанотрубки. Это свойство может расширить область применения нанотрубок. С одной стороны, нанотрубка оказывается готовым высокочувствительным преобразователем механических колебаний в электрический сигнал и обратно (фактически это - телефонная трубка длиной в несколько микрон и диаметром около нанометра), а, с другой стороны, это - практически готовый датчик мельчайших деформаций. Такой датчик мог бы найти применение в устройствах, контролирующих состояние механических узлов и деталей, от которых зависит безопасность людей, например, пассажиров поездов и самолетов, персонала атомных и тепловых электростанций и т. п.
Капиллярные. Как показали эксперименты, открытая нанотрубка обладает капиллярными свойствами. Чтобы открыть нанотрубку, надо удалить верхнюю часть - крышечку. Один из способов удаления заключается в отжиге нанотрубок при температуре 850 0 C в течение нескольких часов в потоке углекислого газа. В результате окисления около 10% всех нанотрубок оказываются открытыми. Другой способ разрушения закрытых концов нанотрубок - выдержка в концентрированной азотной кислоте в течение 4,5 часов при температуре 2400 C. В результате такой обработки 80% нанотрубок становятся открытыми.
Первые исследования капиллярных явлений показали, что жидкость проникает внутрь канала нанотрубки, если её поверхностное натяжение не выше 200 мН/м. Поэтому для ввода каких-либо веществ внутрь нанотрубок используют растворители, имеющие низкое поверхностное натяжение. Так, например, для ввода в канал нанотрубки некоторых металлов используют концентрированную азотную кислоту, поверхностное натяжение которой невелико (43 мН/м). Затем проводят отжиг при 4000 C в течение 4 часов в атмосфере водорода, что приводит к восстановлению металла. Таким образом были получены нанотрубки, содержащие никель, кобальт и железо.
Наряду с металлами углеродные нанотрубки могут заполняться газообразными веществами, например водородом в молекулярном виде. Эта способность имеет практическое значение, ибо открывает возможность безопасного хранения водорода, который можно использовать в качестве экологически чистого топлива в двигателях внутреннего сгорания. Также ученые смогли поместить внутрь нанотрубки целую цепочку из фуллеренов с уже внедренными в них атомами гадолиния (см. Рис.5).
Рис. 5. Внутри C60 внутри однослойной нанотрубки
