CC BY
31
Е. В. Петрова, А. Ф. Дресвянников, Д. А. Лысякова,
А. И. Хайруллина
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ АНОДНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ
НА ДИСПЕРСНОСТЬ ГИДРОКСИДА А ЛЮМИНИЯ
Ключевые слова: гидроксид алюминия, электрохимический способ, дисперсность, лазерная дифракция, анодный ток.
Изучено влияние плотности анодного тока на дисперсность гидроксида алюминия.
Keywords: aluminum hydroxide, electrochemical method, dispersity, anodic current.
The process condition influence on dispersity of aluminum hydroxide has been investigated.
Последние два десятилетия ознаменовались ростом интереса исследователей к созданию и исследованию свойств наноструктурированных оксидов металлов и неметаллов, которые представляют научный и практический интерес, как для понимания фундаментальных свойств материалов, имеющих нанометровые размеры, так и с точки зрения создания материалов с качественно новыми характеристиками [1-5].
Существует множество технологий получения оксида алюминия, основанных на различных химических, физических или механических явлениях [13]. В то же время, практический интерес представляет создание научных основ электрохимических методов получения, обеспечивающих экологическую безопасность, простоту и доступность. Использование электрохимического синтеза предшественников оксида алюминия [4-5], характеризуется неоспоримыми достоинствами: простотой аппаратурного оформления, возможностью управления ходом процесса путем изменения состава растворов и электрического режима. Применение такого подхода открывает возможность замены дорогостоящих и длительных по времени способов их получения на более дешевые и экспрессные.
Целью данной работы является исследование влияния плотности анодного тока на морфологию частиц гидроксида алюминия, полученного электрохимическим способом.
Экспериментальная часть
Электролиз проводили при разных плотностях анодного тока. В качестве электролита использовали водный раствор хлорида натрия (№С1 «х. ч.»). Концентрацию частиц гидроксида алюминия рассчитывали по закону Фарадея:
т (А1(ОН)3) = (1х1хМ)/(пхР), г С(А1(ОН)3) = т/У, г/мл, где I - сила тока, А; 1 - время электролиза, с; М - молярная масса гидроксида алюминия г/моль; п - число электронов по реакции А10^А13+; Б - постоянная Фарадея; Т - массовая концентрация гидроксида алюминия, г/мл; У - объем раствора, мл.
При этом полагали, что анодный процесс протекает со 100 % - ным выходом по току. В качестве дополнительного контроля ввели взвешивание анода до и после электролиза.
Численные значения основных параметров электролиза приведены в табл. 1.
Таблица 1 - Режимы получения гидроксида алюминия
№ обр. Условия получения
CNaCb моль/л j, А/м2 Концентрация Al(OH)3 г/л
1 0,1 20 0,75
2 84 2,00
3 167 3,00
4 240 1,49
Для определения дисперсного состава осадка использовали прибор Mastersizer 2000, (фирмы Malvern), с автоматическим модулем диспергирования и подачи образца Hydro S. Метод основан на регистрации интенсивности рассеянного света, угловая зависимость которого определяется размером и оптическими свойствами частиц.
Программное обеспечение Malvern позволяет вычислять параметр удельной поверхности, с учетом некоторых допущений (частицы сферичны, не учитывается их внутренняя и поверхностная структура). Среди параметров, первоначально протоколируемых в программном обеспечении, присутствуют [6]:
D(1,0) - средний арифметический диаметр -сумма значений всех диаметров поделенная на их количество, в числителе уравнения - значения диаметров в первой степени (d1), а в знаменателе - число частиц (диаметры в нулевой степени d0).
D(3,2) - средневзвешенный диаметр на площадь поверхности, фактически D(3,2)=£d3/£d2 (средний диаметр Саутера).
D(4,3) - средний диаметр Де Брукера или Хардена - средневзвешенный на массу или объем (средний диаметр сферы эквивалентного объема), фактически D(4,3)=£d4/£d3.
Средневзвешенные диаметры являются центрами масс для функций плотности распределений в единицах объема/массы или площади поверхности соответственно.
d (0,5) - медиана объемного распределения -это такое значение размера частиц, которое разделяет ранжированный ряд распределения на две равные части — со значениями размера меньше и больше медианы.
Обсуждение результатов
В ходе проведенных исследований выбор диапазона плотности анодного тока по максимуму был ограничен возможностями источника постоянного тока, а минимальное значение было продиктовано параметрами эффективного анодного растворения алюминия в данных условиях.
Результаты определения дисперсного состава синтезированных образцов гидроксида алюминия, полученные с помощью метода лазерной дифракции, представлены в табл. 2. Для визуализации результатов и облегчения возможности их сравнения и анализа эти результаты представлены в виде графиков (рис. 1-4).
Таблица 2 - Результаты определения дисперсного состава гидроксида алюминия, полученного электрохимическим способом
N9 обр. і (0,5), мкм С (1,0), мкм С (3,2), мкм 8 уд., м2/г
1 4,04 0,60 2,02 2,97
2 14,68 0,58 4,00 1,50
3 16,87 0,62 5,29 1,13
4 22,08 0,75 4,93 1,32
С = 0,1 Моль/л
Рис. 1 - Изменение удельной поверхности образцов в зависимости от плотности анодного тока
(рис.3), имеет место восходящая зависимость: при увеличении) в 9 раз, Б(3,2) возрастает в ~2,6 раза.
і (0.5), С = 0,1 Моль/л
Рис. 2 - Изменение медианы объемного распределения частиц образцов
Рис. 3 - Изменение средневзвешенного на площадь поверхности частиц диаметра
В случае зависимости от плотности тока, среднеарифметический диаметр также увеличивается (рис.4).
Как видно из полученных данных, кривая изменения удельной поверхности полученных осадков гидроксида алюминия, в зависимости от плотности тока (рис.1) имеет вид нисходящей зависимости: при увеличении ) в 10 раз, удельная поверхность уменьшается в 2,6 раза, что можно объяснить укрупнением размеров частиц, за счет объединения первичных частиц в агрегаты.
Зависимость ^0,5) от плотности тока, приближается к прямой линии: при росте) в 12 раз, медиана объемного распределения частиц увеличивается в 5,5 раза (рис.2). Это можно объяснить интенсивностью роста агрегатов, с учетом фарадеевского повышения концентрации в единицу времени гидратированных полиионов А1 (III).
В случае зависимости средневзвешенного диаметра на площадь поверхности плотности тока
с (1.0),
Л/ГТЛИГ
С = 0,1 Моль/л
Рис. 4 - Изменение среднеарифметического диаметра частиц осадка
При росте} от 20 до 167 А/м2 Б(1,0) увеличивается незначительно (от 0,58 до 0,62 мкм); при дальнейшем росте) наблюдается резкое увеличение среднеарифметического диаметра частиц (до 0,75 мкм), что можно объяснить особенностями механизма ионизации А1: некоторые исследователи [7] полагают, что в процессе анодного растворения имеет место межкристаллитная коррозия, сопровождающаяся
«выпадением» зерен металла из тела матрицы, с последующим медленным их окислением в объеме раствора
Таким образом, на основании полученных результатов можно сделать заключение о влиянии параметров электродной поляризации на размеры частиц гидроксида алюминия и возможности управления дисперсностью путем варьирования анодного тока.
Работа выполнена на оборудовании ЦКП «Наноматериалы и нанотехнологии» при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритет-
ным направлениям развития научно-технологического
комплекса России на 2007-2013 годы» по госкон-
тракту 16.552.11.7060.
Литература
1. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии - М.:ФИЗМАТЛИТ, 2007. - 416 с.
2. Фостер Л. Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности - М.: Техносфера, 2008. - 352 с.
3. Третьяков Ю.Д., Лукашин А.В., Елисеев А.А. // Успехи химии. - 2004. - Т.73, № 9. - С. 974-998.
4. Дресвянников А.Ф., Петрова Е.В., Цыганова М.А. // Журнал физической химии. - 2010. - Т.84, №4. - С.727-732.
5. Петрова Е.В., Дресвянников А.Ф., Мамыкина С.Ю., Га-лимова З.Р. //Вестник Казанского технологического университета - 2012. - № 3. - С.18-20.
6. ISO 13320-1:1999. Particle size analysis. Laser diffraction methods. Pt. 1: General principles. ; ISO 22412:2008. Particle size analysis. Dynamic light scattering (DLS).
7. R.S. Alwitt // Oxides and oxide films. - 1976. - V.4. -P.169-254.
© Е. В. Петрова - канд. хим. наук, доц. каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КНИТУ, [email protected]; А. Ф. Дресвянников - д-р хим. наук, проф. той же кафедры; Д. А. Лысякова - студент КНИТУ; А. И. Хайруллина - бакалавр КНИТУ.
