УДК 541

СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ОКСИДНЫХ НАНОСТРУКТУРНЫХ КАТАЛИЗАТОРОВ
ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ МЕТОДОМ ОЗОНИРОВАНИЯ
А.В. Шабалина, Е.В. Леонова, М.А. Абулхаирова, stalsy@sibmail.com
Томский государственный университет, г. Томск
В настоящее время не существует экономически приемлемых технологий для полного удаления
присутствующих в воде и в воздухе органических загрязнителей. Большой интерес уделяется развитию
новых методов очистки, основанных на удалении загрязнителей посредством их окисления. Одним из
наиболее эффективных методов химического окисления является озонирование. Оно широко
применяется для дезинфекции и обеззараживания воды, а также для удаления органических и
неорганических загрязнителей. Однако обработка озоном обычно не приводит к полному окислению
органических соединений (до СО2 и воды). Эффективность процесса удаления трудно разлагаемых
веществ, например, карбоновых кислот, которые аккумулируются в воде в процессе прямого
озонирования фенолсодержащих вод существенно возрастает при использовании каталитического
озонирования – метода активации реакций озона в воде в присутствии катализатора. При этом
целесообразно использовать гетерогенные каталитические процессы: здесь катализатор находится в
твердой макрофазе и легко отделяется от очищаемой среды. В качестве катализаторов применяют
оксиды различных металлов (Ti, Al, Zn, Cu, Fe, Mn, Ce, Co, Ru) без подложек, а также на активных
(металлическая медь, титан, Al2O3, активированный уголь) или инертных (волластонит, цеолиты,
полимеры) подложках. Катализатор должен быть достаточно прочным, химически стойким, иметь
развитую поверхность и быть коммерчески доступным.
Изученные в данной работе в качестве катализаторов материалы были получены пятью
различными методами. Оксиды Al, Fe, Ce на различных подложках были приготовлены методом
термического разложения металлсодержащего полимера. По данным РФА и СЭМ размер частиц
колеблется от 9 до 45 нм. Пористые покрытия TiO2 на Ti и Al2O3 на Al были получены методом
микроплазменного окисления. РФА показал, что TiO2 присутствует в модификациях анатаз (размер
частиц 8–10 нм) и брукит (25–50 нм), а Al2O3 присутствует в виде α–, θ– и δ– модификаций (13–15 нм).
Пористые системы нитрид кремния – железо и ферротитан – оксид алюминия были получены методом
самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Анализ фазового состава последней
показал наличие γ – Al2O3, Fe, FeO и ферротитана; размер частиц не более 30 нм. Высокопористый
ячеистый материал (ВПЯМ) меди был приготовлен методом химического осаждения; размер пор – 35 мм. Системы на основе оксидов цинка, титана, железа и циркония, в т.ч. допированные галлием, в
пористой матрице MgO были получены методом твердофазного взаимодействия с механохимической
активацией (предварительной и в процессе синтеза). Методом РФА показано наличие фаз исходных
оксидов, Ga2O3 и галлатов.
Исследование каталитической активности материалов проводилось путем озонирования раствора
модельного соединения в присутствии катализатора. В качестве модельного соединения выбрана
щавелевая кислота, как устойчивый конечный продукт водного озонирования фенолов. Озонирование
проводилось при естественном рН раствора и комнатной температуре, навеска катализатора бралась
равной 2 г/л, концентрация щавелевой кислоты – 1*10-3 М. Параллельно исследовалась сорбционная
способность изучаемых материалов по отношению к щавелевой кислоте. Начальный раствор и раствор
после обработки анализировались на содержание щавелевой кислоты и рассчитывался процент ее
удаления. Концентрация щавелевой кислоты определялась с помощью анализатора общего углерода
TOC-VCPN, фирмы Shimadzu. В таблице 1 приведены значения процента удаления щавелевой кислоты
для различных катализаторов. Из приведенных данных видно, что наиболее активными в процессе
разложения щавелевой кислоты являются оксиды Ce и Fe на волластоните, ВПЯМ Cu, а также
ферротитан и металлоксидные системы Zn(Ga). Таким образом, данные материалы перспективны для
разработки процесса очистки воды от органических загрязнителей методом каталитического
озонирования.
Таблица 1. Сорбционная и каталитическая активность оксидов различных металлов в процессе
разложения щавелевой кислоты
Катализатор
Сорбция, %
Озонирование, %
Без катализатора
Al2O3 на пегасине
Al2O3 на хонгурине
CexOy/ FexOy на волластоните
AlxOy/ FexOy на волластоните
Ферротитан в Al2O3
–
46
37
78
30
31
7
18
26
91
31
67
Ферротитан в Al2O3 с оксидами Mn, Fe
Al2O3 на Al губке
TiO2 на Ti фольге
ВПЯМ Cu
ZnO, Ga2O3/MgO
ZnO, ZnGa2O4/MgO
12
–
–
–
12
78
18
14
13
80
55
90