СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА КРЕМНИЯ

Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано для получения композиционного материала на основе диоксидов кремния и титана.

Покрытия из диоксида титана на пористых оксидных носителях (SiO₂) используют для увеличения удельной поверхности, механической и термической прочности, повышения селективности полученных на их основе катализаторов. Композиты на основе силикогелей и диоксида титана находят применение в фотокаталитических процессах, в качестве катализаторов олигомеризации олефинов и полимеризации этилена. При использовании в качестве катализаторов композитов SiO₂/TiO₂ активным компонентом преимущественно является диоксид титана. Однако индивидуальный диоксид титана имеет неудовлитворительные механические свойства и более низкую удельную поверхность. В некоторых каталитических реакциях композит SiO₂/TiO₂ проявляет большую активность, чем диоксид титана, что связано с формированием новых каталитически активных центров вследствие взаимовлияния компонентов [Мурашкевич А.Н., Лавицкая А.С., Алисиенко О.А., Жарский И.М. Синтез и свойства мезопористого композита на композита на основе TiO₂ и SiO₂ // Неорганические материалы. 2009. Т.45, №10. С.1223-1229]. Так как гетерогенные каталитические реакции протекают в основном с участием поверхности катализатора, то целесообразно использование и синтез композитов со структурой ядро/оболочка, где ядром является диоксид кремния, а диоксид титана выполняет функцию оболочки.

Известен способ получения композита ядро SiO₂ - оболочка TiO₂, включающий получение суспензии частиц диоксида кремния, смешение ее с титансодержащим компонентом, выдержку, фильтрацию, отмывку и сушку осадка, отличающийся тем, что в качестве ядра SiO₂ используют диоксид кремния, получаемый из раствора жидкого стекла осаждением аммонизированным раствором карбоната аммония, в качестве титансодержащего компонента золь TiO₂ с размером частиц 10-40 нм, получаемый гидролизом растворов TiCl₃ или тетрабутоксида титана, а смешение суспензии диоксида кремния, имеющей pH=1,1-7,5 с золем TiO₂, имеющим pH=0,5-1,2, проводят до значения pH суспензии конечного продукта, равного 3-4 [Способ получения композита ядро SiO₂ - оболочка TiO₂: пат. 13005. Респ. Беларусь, МПК⁷ B01J 21/08, C07C 67/08, C07C 69/54, B01J 37/03 / A.H. Мурашкевич, О.А. Алисиенок, И.М. Жарский; заявитель Бел. госуд. технол. универс. - № а 20081380; заявл. 31.10.2008; опубл. 22.12.2009].

Известен способ получения диоксида кремния [Пат. США МПК СО 1В 33/00. Acker EllswYrth George, Winyll Milton Edward. Method of Preparing Loosely Aggregated 200-500 Millimicron Silica: Pat. 4049781 USA, 1977], используемого в качестве носителя диоксида титана, нейтрализацией раствора силиката щелочного металла путем добавления смеси растворов уксусной и карбоновых кислот при избытке аммиака.

Кроме того, известен способ получения композита на основе оксида цинка и диоксида кремния [US 5738718 Zinc oxide-containing spherical silica and process for its production Hiroo Mori и др.,], который содержит эмульгаторы, в органическом растворителе, содержащих поверхностно-активное вещество, дисперсию с оксидом цинка с размером частиц от 0,005 до 0,5 мкм, диспергированные в водном растворе силиката щелочного металла в количестве от 10 до 70 мас. % в пересчете на общее количество оксида цинка и SiO₂ в водном растворе силиката щелочного металла, а затем гелеобразование полученной эмульсии с углекислым газом.

Наиболее близкими к изобретению по технической сущности является предложенный в патенте [Jianling Zhang, Zhimin Liu, Buxing Han, Zhonghao Li, Guanying Yang, Junchun Li, Jing Chen Preparation of silica and TiO₂-SiO₂ core-shell nanoparticles in water-in-oil microemulsion using compressed CO₂ as reactant and antisolvent The Journal of Supercritical Fluids, Volume 36, Issue 3, January 2006, Pages 194-201] способ получения композиционного материала на основе силикагеля путем осаждения диоксида кремния из силиката натрия в присутствии оксида металла барботированием углекислого газа через толщу суспензии с образованием композиционного материала по типу "ядро(диоксид кремния)/оболочка(оксид металла)".

Недостатками вышеуказанных способов является использование высоких давлений углекислого газа, что приводит к усложнению аппаратурного оформления процесса, а также сброс в атмосферу избытка диоксида углерода при быстром уменьшении давления.

Задача изобретения - разработка более эффективного способа получения композиционных материалов на основе диоксида кремния.

Технический результат состоит в том, что использование предлагаемого способа позволит упростить процесс получения композита на основе силикагеля, так как отпадает необходимость сложного аппаратного оформления процесса, связанного с применением высоких давлений диоксида углерода при получении силикагеля, а также экологическая чистота технологии, которая связана с отсутствием выбросов диоксида углерода, достигаемым повторным его использованием.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что получают композиционный материал на основе силикагеля путем осаждения диоксида кремния из силиката натрия в присутствии оксида металла барботированием углекислого газа через толщину суспензии с образованием композиционного материала по типу «ядро(диоксид кремния)/оболочка(оксид металла)", где осаждение ведут в присутствии диоксида титана или закиси меди, а барботирование осуществляют при атмосферном давлении.

В осадительную колонну подают суспензию раствора силиката натрия и оксида металла (в качестве примера взят диоксид титана), затем пропускают углекислый газ при атмосферном давлении в непрерывном режиме через насадку, расположенной на дне осадительной колонны для барботирования через толщу раствора, при этом время осаждения составляет 10 минут. Непрореагировавший диоксид углерода обратно возвращают в осадительную колонну.

При осуществлении процесса получения композиционного материала на основе силикагеля по предлагаемому способу отпадает необходимость сложного аппаратурного оформления процесса, связанного с высокими давлениями диоксида углерода. Кроме того, осаждение геля кремниевой кислоты осуществляют с использованием небольшого количества исходных реагентов, что влияет на чистоту получаемого продукта.

Преимущества предлагаемого способа заключаются в простом аппаратурном оформлении процесса, отсутствие выбросов диоксида углерода, связанное с его повторным использованием и использование небольшого количества исходных реагентов для синтеза.

При пропускании углекислого газа через суспензию раствора силиката натрия и оксида металла происходит выпадение в осадок геля кремниевой кислоты, которая покрывается частицами оксида металла (в качестве примера взят диоксид титана). На рис.1 приведена схема образования нанокомпозита по типу «ядро/оболочка», где ядром служит SiO₂, а оболочкой является TiO₂.

Структуру синтезированного композита SiO₂/TiO₂ исследовали на сканирующем электронном микроскопе. Полученные фотографии образца, синтезированного при соотношении исходных компонентов силиката натрия и диоксида титана 2:5, соответственно, приведены на рис.2. Как видно из рис.2, образец композита в основном состоит из частиц сферической формы с однородной структурой, относящихся, по-видимому, к частицам SiO₂/TiO₂. Покрытие поверхности диоксида кремния, образующегося за счет вытеснения из раствора силиката натрия углекислым газом, наночастицами ТiO₂ приводит к увеличению поверхности катализатора по сравнению с чистым диоксидом титана.

Элементный состав синтезированного композита SiO₂/TiO₂ приведен на рис.3. Как видно из рис.3, композит в основном состоит из диоксидов кремния и титана с небольшими примесями оксидов натрия и алюминия. Наличие оксида алюминия можно объяснить тем, что в исходном силикате натрия содержались примеси алюминийсодержащих соединений.

В зависимости от условий синтеза размер частиц композита SiO₂/TiO₂ варьируется в пределах от 150 нм до 220 нм.

Способ можно реализовать как в лабораторных, так и в промышленных масштабах. Сущность и преимущества данного изобретения подтверждаются следующими примерами:

Пример 1. В раствор силиката натрия с модулем 2,5-3,0 добавляют 0,5-5,0 г диоксида титана для получения суспензии, и через полученную суспензию пропускают углекислый газ при атмосферном давлении. Соотношение исходных компонентов составляет 2:5. Осаждение проводят в осадительной колонне высотой 0,5 метров и диаметром 0,2 метра. Время осаждения составляет 10 минут.

Пример 2. В раствор силиката натрия с модулем 2,5-3,0 добавляют 1,0 М раствор нитрата меди и обрабатывают раствором глюкозы для осаждения закиси меди (Cu₂O). Полученную суспензию силиката натрия и закиси меди обрабатывают углекислым газом по примеру 1.

Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:

- способ при его осуществлении предназначен для использования не только в лабораторных, но и в промышленных условиях;

- для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств и методов.