Электрохимический синтез низкоплотных углеродных материалов для очистки воды

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.