Спосіб одержання кремнеземного мезопористого сорбенту

1 Спосіб одержання кремнеземного мезопористого сорбенту шляхом розчинення у воді катіонної поверхнево-активної речовини (ПАР) та кремнекислого(мета) натрію, змішування одержа них розчинів введенням краплями розчину ПАР в водний розчин кремнекислого(мета) натрію, перемішування суміші цих розчинів, відфільтровування осаду, промивання його водою, висушування осаду при кімнатній температурі на повітрі, прожарювання на повітрі, який відрізняється тим, що в розбавлений водний розчин кремнекислого(мета) натрію вводять концентрований водний розчин ПАР, причому компоненти суміші беруть у такому мольному співвідношенні ПАР 1-3 Кремнекислий(мета) натрій 1-8 Вода дистильована 1000-9000 2 Спосіб по п 1, який відрізняється тим, що як ПАР використовують алкілпіридинійгалоіди, вуглеводневий радикал яких має від 8 до 18 атомів вуглецю Винахід відноситься до хімічної технологи, а саме - до виготовлення мезопористих кремнеземних сорбційних матеріалів Такі матеріали можуть знайти застосування як сорбенти, молекулярні сита, носи каталізаторів, фотокаталізаторів, матриці для одержання композитів різного функціонального призначення ВІДОМІ способи одержання мезопористих сорбентів і мезопористих молекулярних сит (ММС) на основі різних оксидів та ПАР [1 -6] Для синтезу неорганічного каркасу таких сорбентів використовують оксиди кремнію, алюмінію, титану, цирконію, фосфору та деяких інших елементів В процесі синтезу як темплати використовують міцелоутворюючі ПАР, так і звичайні органічні ПАР, що не утворюють міцел Одержані матеріали після певної кальцинації мають ламелярну, гексагональну чи кубічну просторову структуру та фіксований діаметр пор, який шляхом ціленаправленого синтезу можна змінювати від 2 до 12 нм і більше Способи синтезу таких сорбентів включають наступні основні стадії сполучення розчинів ПАР та неорганічних компонентів при перемішуванні, витримування в автоклаві при температурі від 95 до 175°С протягом тривалого часу (від 12 годин до 6 діб, залежно від системи) Кінцевий твердий продукт відфільтровують, промивають, висушують на повітрі та прожарюють Величини рівноважної адсорбції полярних та неполярних сорбатів відомими ММС знаходяться, переважно, в таких межах вода - від 7,1 до 39,3 г на 100 г сорбенту, бензол від 20,0 до 67,5 г на 100 г сорбенту Згадані методи синтезу ММС мають деякі загальні недоліки застосування робочих розчинів вихідних реагентів неоптимальних концентрацій і відносно висока температура гідротермальної обробки Найбільш близьким по технічній суті і досягнутому результату до винаходу, що пропонується, є кремнеземний мезопористий матеріал, для одержання якого використовують як темплат катіонну ПАР - гексадецилтриметиламоній бромід [7] Синтез цього сорбенту включає такі операції розчинення ПАР у воді або підлуженій воді, введення цього розчину краплями в концентрований водний розчин кремнекислого (мета) натрію (ІЧагБіОз) з наступним повільним перемішуванням протягом години, відфільтровування утвореного осаду, промивання його водою, висушування, прожарювання Недоліками цього технічного рішення є невідповідність застосованих концентрацій робочих розчинів реагентів оптимальним величинам Задачею, на вирішення якої направлено винахід, є розробка способу одержання мезопористого кремнеземного сорбенту з високим виходом про 1 со 42372 дуісгу з покращаними сорбційними властивостями та поруватістю, що досягається застосуванням розбавленого водного розчину кремнекислого (мета) натрію, в який вводять концентрований водний розчин катіонної ПАР Використання розробленого способу дає можливість одержати технічний результат, який може бути основою створення технологічного процесу виробництва сорбенту з високим виходом, підвищеною питомою поверхнею та сорбційною здатністю одержаного продукту до води, бензолу тощо Для досягнення вказаного технічного результату у відомому способі одержання мезопористого кремнеземного сорбенту шляхом розчинення у воді катіонної ПАР та кремнекислого(мета) натрію, змішування одержаних розчинів введенням краплями розчину ПАР в водний розчин кремнекислого(мета) натрію, перемішування цієї суміші, відфільтровуваня осаду, промивання його водою, висушування осаду при кімнатній температурі на повітрі, прожарювання на повітрі, згідно винаходу, що пропонується, в розбавлений водний розчин кремнекисло го (мета) натрію вводять концентрований, тобто з максимально можливою при кімнатній температурі концентрацією для кожного гомологу, водний розчин ПАР, причому компоненти розчинів беруть утакому мольному співвідношенні ПАР - 1 3, кремнекислий(мета) натрій - 1-8, вода дистильована- 1000-9000 Як ПАР доцільно використовувати алкілпіридинійгалоіди (АІкПГ), вуглеводневий радикал яких має від 8 до 18 атомів вуглецю Найбільш оптимальні мольні співвідношення вихідних компонентів при синтезі сорбенту такі AlKnrH 2 ONa 2 SiO 3 =1 ух, де х=2-8, а у=1000-4000 для систем з застосуванням додецилпіридиній хлориду, у=2000-5000 для систем з застосуванням тетрадецилпіридиній хлориду, у=3000-7000 для систем з застосуванням гексадецилпіридинійхлориду, у=4500-9000 для систем з застосуванням октадецилпіридинійброміду Найбільш ефективними ПАР для синтезу сорбентів є тетра- та гексадецилпіридиній хлориди Густина розчину кремнекислого(мета) натрію дорівнює 1,010-1,050 г/см3 у всіх випадках синтезу, що забезпечує деполімеризацію неорганічного компоненту і його повну іонізацію Одержані наведеним вище способом кремнеземні мезопористі сорбенти - це матовий матеріал білого кольору, нерозчинний у воді та органічних розчинниках, що не плавиться при нагріванні до 900°С в повітряному середовищі МІЖПЛОЩИННІ відстані (сі-юо) - в межах 2,4-4,0 нм, питома поверхня (S mT ) 800-1600 м2/г В запропонованому способі сорбенти одержуються із значним виходом, мають підвищену питому поверхню та сорбційну здатність по відношенню до води і бензолу (таблиця) Порівняльний аналіз з прототипом дозволяє зробити висновок про те, що спосіб синтезу, який пропонується, відрізняється від відомого введенням концентрованого розчину ПАР, наприклад галоїдів алкілпіридинію, в розбавлений розчин кремнекислого(мета) натрію Зіставлення мольного співвідношення компонентів прототипу і композиції № 6, що пропонується і є найбільш близькою до прототипу за розчинністю та КОЛОІДНО-ХІМІЧНИМИ властивостями катіонної ПАР, показує, що мольне співвідношення органічного та неорганічного компонентів тотожні, а мольна КІЛЬКІСТЬ ВОДИ В КОМПОЗИЦІЇ, ЩО пропону ється, в 5,5 разів більша від такої ж у прототипі При цьому значна КІЛЬКІСТЬ ВОДИ (83,4%) використовується для приготування розбавленого розчину кремнекислого(мета) натрію, що деполімеризує неорганічний компонент до мономерів і сприяє його повній іонізації Завдяки цим процесам покращується контакт органічної та неорганічної складових синтезу і в кінцевому результаті отримується сорбент з покращеними властивостями Що стосується запропонованого способу, то крім нового способу введення компонентів, ВІДМІННИМИ від прототипу ознаками у всіх випадках виконання способу є співвідношення компонентів суміші Таким чином, технічне рішення, що пропонується, відповідає критерію винаходу "новизна" Аналіз відомих способів синтезу, сорбційних властивостей та величина питомої поверхні (Sm-r) мезопористих кремнеземних сорбентів показав, що в жодному з них не застосовували подібний спосіб сполучення і введення компонентів в реакційну суміш, а їхня сорбціина здатність по відношенню до води на 5055% менша, ніж така для ММС, синтезованих по запропонованому способу Оскільки залежність відрізняючих ознак і одержаного результату з літератури невідома, то можна зробити висновок про творчий характер запропонованого технічного рішення, тобто про ВІДПОВІДНІСТЬ їх критерію "винахідницький рівень" Суть винаходу пояснюється наступними прикладами Приклад 1 Система C14H29NC5H5CI H2O Na 2 Si0 3 =1 3333 4 В хімічному стакані на 50 мл розчинили в ЗО мл дистильованої води 1,56 г (0,005 М) тетрадецилпіридинійхлориду В ХІМІЧНИЙ стакан на 400 мл помістили 16,3 мл кремнекислого(мета) натрію, густина якого 1,17 г/см3, добавили 250 мл дистильованої води, розмішали протягом 10 хв на магнітній мішалці і отримали розчин кремнекислого(мета) натрію, густина якого дорівнює 1,02 г/см3 При повільному перемішуванні краплями добавляли концентрований розчин ПАР (приблизно 5 мл) Далі перемішували приблизно 10 хв і знову продовжували вводити дискретно розчин ПАР Продовжуючи перемішування, сполоснувши ХІМІЧНИЙ стакан після розчину ПАР 20 мл води, влили цю останню порцію у великий стакан і продовжували перемішувати ще дві години Суміш залишали стояти протягом ночі, а вранці відфільтровували осад за допомогою водоструменевого насосу, промивали його водою, висушували на скляній поверхні при кімнатній температурі до утворення сухого сипучого порошку Наступного дня осад в фарфоровій чашці помістили в муфель та прожарили в повітряному середовищі при 550°С Припинили прожарювання, після охолодження перенесли осад в ексикатор, зважили порошок, вирахували вихід у відсотках по відношенню до кремнезему, виміряли сорбційну здатність та ІНШІ властивості (таблиця) Приклади 2-17 Умови проведення ДОСЛІДІВ такі ж, як і в прикладі 1, за винятком співвідношень компонентів синтезу Одержані дані зведені в таблицю 3 таблиці видно, що у прикладах 10-12, де ПАР з самим 42372 коротким вуглеводневим радикалом, при співвідношенні компонентів, яке виходить за межі запропонованого, одержаний сорбент має найгірші властивості і найменший вихід Джерела інформації 1 Пат США № 5098684 кл МПК6 С01ВЗЗ/34, опубл в Бюл № 3 з а 1 9 9 2 р 2 Пат США № 5102643 кл МПК6 С01ВЗЗ/34, опубл в Бюл № 4 з а 1 9 9 2 р 3 Пат США № 5108725 кл МПК6 С01ВЗЗ/34, опубл в Бюл № 4 з а 1 9 9 2 р 4 Пат США № 5110572 кл МПК6 С01ВЗЗ/34, опубл в Бюл № 5 за 1992 р 5 Пат США № 5112589 кл МПК6 С01ВЗЗ/34, опубл в Бюл № 5 за 1992 р 6 Пат США № 5250282 кл МПК6 С01ВЗЗ/34, опубл в Бюл № 5 за 1993 р 7 А С Voegtlm, A Matijasic, J Patann, C Sauerland. Y Gnllet, L Huve, Microporous Materials, 1997, 10, p 137-147-прототип Таблиця Харктеристика кремнеземних мезопористих сорбентів № прикладу 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Вуглеводневий радикал ПАР-и С14Н29С14Н29С14Н29С14Н29С14Н29 СієНззСієНззСієНззС18Н37 СвНі7СвНі7СвНі7С10Н21С10Н21С12Н25С12Н25С12Н25 Співвідношення компонентів при синтезі АІкПГ Н2О Na 2 Si0 3 1 3333 4 1 5000 4 1 5000 8 1 1000 4 1 6000 4 1 3500 4 1 7000 4 1 2000 4 1 7433 4 1 1150,7 1 500 1 1 500 4 1 1000 4 1 500 4 1 2167 4 1 4000 4 1 1000 2 Вихід сорбенту, % 56 54 44 ЗО 37 65 66 42 58 10 23 син 16 15 50 54 56 Snm , М /Г dioo, нм 1400 1300 3,40 3,55 3,27 * 3,50 3,21 3,40 * 4,00 2,45 2,21 не 2,60 2,63 2,95 2 90 * 1500 1640 600 тез 800 1200 - недосконала, нестійка структура ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Киів-133, бульв Лесі Українки, 26 (044)295-81-42, 295-61-97 Підписано до друку Обсяг с)бл -вид арк 2002 р Формат 60x84 1/8 Тираж 50 прим Зам УкрІНТЕІ, 03680, Киів-39 МСП, вулі Горького, 180 (044) 268-25-22 Сорбційна здатність, г/100 г сорбенту Вода Бензол 60 67 43 71 55 64 52 47 46 51 70 56 68 63 65 42 44 55 32 28 27 ЗО прохо дить 41 35 28 ЗО 73 58 43 36 38 45