Спосіб електрохімічного синтезу оксиду магнію

Реферат: Спосіб електрохімічного синтезу оксиду магнію включає окиснення магнію під дією змінного струму. Окиснення здійснюють при поляризації магнієвих електродів асиметричним змінним струмом, утвореним шляхом накладення змінного струму промислової частоти на постійний при 2 2 густинах струму: змінного - 100-800 мА/см , постійного 100-500мА/см в розчинах, що містять 0,1-2,0 моль/л хлориду амонію з наступною термічною обробкою отриманих гідроксосполук магнію при 500-600 °C. UA 94229 U (54) СПОСІБ ЕЛЕКТРОХІМІЧНОГО СИНТЕЗУ ОКСИДУ МАГНІЮ UA 94229 U UA 94229 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до технологій синтезу неорганічних сполук, зокрема, до електрохімічного отримання оксиду магнію і може бути використаний в хімічній промисловості для виготовлення функціональних матеріалів на його основі. Синтез здійснюють шляхом розчинення магнієвих електродів під дією асиметричного змінного струму в розчині хлориду амонію. Оксид магнію завдяки його унікальним фізико-хімічним властивостям, високій каталітичній активності, яка зумовлена наявністю на його поверхні дефектних центрів, знайшов широке використання в якості специфічного каталізатора та носія каталізаторів багатьох хімічних реакцій, у тому числі, для синтезу вуглецевих нанотрубок методом піролізу вуглеводнів СН n. Утворені при піролізі на наночастках MgO графенові оболонки (ГО) складаються, в основному, з вуглецевих нанотрубок товщиною в один-два або два-три графенових шари. Частинки MgO видаляють після нанесення (ГО) шляхом розчинення в мінеральних кислотах. Різноманітність хімічних та фізичних властивостей частинок MgO, покритих (ГО), і самі (ГО) представляють інтерес для наукоємних технологій, зокрема для синтезу адсорбентів великої ємності, електродних матеріалів для літій-іонних акумуляторів і електролітичних конденсаторів, детекторів газу, виготовлення композиційних матеріалів. Унікальні властивості і широке застосування MgO, покритого графеновими оболонками, вимагають простого та ефективного способу отримання оксиду магнію високої чистоти. Наявність домішок у MgO змінюють форму та діаметр вуглецевих нанотрубок, що утворюються, спричиняють укрупнення цих частинок при проведенні піролізу. Чим менший вміст металівдомішок, тим менший діаметр вуглецевих нанотрубок, що формуються при піролізі. Відомий спосіб отримання оксиду магнію [1, 2], шляхом термічного розкладу сполук магніюгідроксиду, нітрату, оксалату. Недоліками даного способу є висока температура синтезу (понад 800 °C), багатостадійність і тривалість та додаткові операції по очищенню продукту синтезу від металів домішок. Найбільш близьким по технічній суті та результатам, що досягаються, є спосіб отримання оксиду магнію шляхом електрохімічного окиснення магнію в водних хлорвмісних розчинах 2 змінним струмом частотою  400 Гц і густиною струму 200-1000 А/м з одержанням оксидних сполук магнію [3]. Отриманий осад піддавали термічній обробці при 180-1000 °C. До недоліків відомого технічного рішення [3], вибраного як прототип, слід віднести високі питомі втрати електроенергії внаслідок нагрівання електроліту та неконтрольоване співосадження оксидів металів, що наявні у вихідному магнії. Відоме технічне рішення [3] не дозволяє в промислових умовах отримувати оксид магнію високої чистоти. Задачею запропонованого технічного рішення є отримання оксиду магнію високої чистоти з високою питомою поверхнею та дисперсністю. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що синтез оксиду магнію, що включає окиснення магнію під дією змінного струму, здійснюють при поляризації магнієвих електродів асиметричним змінним струмом, утвореним шляхом накладення змінного струму промислової 2 2 частоти на постійний при густинах струму: змінного - 100-800 мА/см , постійного 100-500мА/см в розчинах, що містять 0,1-2,0 моль/л хлориду амонію з наступною термічною обробкою отриманих гідроксосполук магнію при 500-600 °C. Рішення, що пропонується, малозатратне, відносно просте в реалізації, а використання як електроліту хлориду амонію дозволяє одержувати кінцевий продукт високої чистоти. Процеси, що протікають на електродах, легко адаптуються для масштабного виробництва оксиду магнію високої чистоти. Спільними ознаками з прототипом є те, що для отримання високо дисперсного порошку оксиду магнію високої чистоти використовують змінний струм, за допомогою якого розчиняють магнієві електроди. Відміною є те, що використання струму промислової частоти, по-перше, забезпечує найбільш сприятливі умови окислення магнію, чого не забезпечує струм більш високої частоти, по-друге, дозволяє відмовитись від додаткового обладнання - спеціальних генераторів змінного струму, а значить зменшити питомі витрати на виробництво. Окиснення магнію у водному розчині за допомогою асиметричного змінного струму проводили наступним чином. Два магнієві електроди поміщали в електролізер з розчином хлориду амонію концентрацією 0,1-2,0 моль/л та поляризували асиметричним змінним струмом. Асиметричний змінний струм отримували шляхом накладення змінного струму промислової частоти (50Гц) на постійний. Електроліти для синтезу готували з двічі дистильованої води з використанням хлориду амонію кваліфікації о.с.ч. На магнієві пластини подавали струм при 2 2 густині струму: змінного - 100-800 мА/см , постійного 100-500 мА/см . При цьому на електродах утворювались суміші сполук магнію: MgO, MgO 2, MgOH, Mg(OH)2. Утворений осад декантували, 1 UA 94229 U 5 10 15 промивали від іонів амонію, потім сушили при температурі 105 °C та піддавали термічній обробці в температурному інтервалі 500-600 °C. Експериментально встановлений інтервал концентрацій хлориду амонію необхідний для забезпечення умов синтезу дрібнодисперсних оксидних сполук магнію та високих густин струму на електродах без порушення температурного режиму синтезу. Під дією асиметричного змінного струму на магнієвих електродах утворюються сполуки, MgO, MgO2, MgOH, Mg(OH)2, які накопичуються на дні електролізеру. Розмір частинок 2 одержаного оксиду цинку становить 3,5-8,5 нм, питома поверхня 25-35 м /г. Поляризація електродів асиметричним струмом (при накладанні постійного та змінного) дозволяє інтенсифікувати синтез оксидних сполук магнію за рахунок того, що процес відбувається на обох електродах одночасно, забезпечити умови утворення високодисперсних часток з високою питомою поверхнею. Під дією асиметричного струму, в анодний півперіод, відбувається розчинення магнію з утворенням оксидних сполук з високорозвиненою поверхнею. В катодний півперіод розряд іонів магнію, що утворилися в анодний півперіод, не відбувається внаслідок високого від'ємного значення електродного потенціалу E Mg2+/Mgo = -2,363 В. Основною реакцією в катодний півперіод струму є виділення водню + 2Н3О + 2е = 2Н(ад) + 2ОН . 20 (1) Атомарний водень, що утворився, має високу реакційну здатність, за рахунок чого можуть утворюватись проміжні продукти відновлення - гідриди + Мg° + Н + е = МgНад. 2МgНад. → Mg° + MgH2, 25 (2) (3) які в подальшому розкладаються водою: MgH2+2Н2О → Mg(OH)2+2Н2, (4) або розпадаються на магній і водень MgH2 → Mg° + Н2. (5) 30 Дрібнодисперсний магній, що утворився, взаємодіє з водою з утворенням гідроксиду магнію Mg° + 2Н2О + 2е → Mg(OH)2 + Н2 35 40 45 50 (6) Таким чином, при синтезі оксиду магнію електрохімічним методом шляхом поляризації магнієвих електродів асиметричним змінним струмом, відбувається періодична перезарядка поверхні магнієвих електродів (катодний і анодний напівперіоди), внаслідок чого з'являються оптимальні умови утворення високодисперсних гідроксосполук магнію. Запропонований спосіб дозволяє усунути недоліки відомого способу, отримувати оксид магнію високої чистоти при високій продуктивності, значно меншій енергоємності процесу, та усуненні допоміжного циклу очистки кінцевого продукту від металів домішок. Приклади, що ілюструють заявлений спосіб наведено нижче. Приклад 1. Електрохімічний синтез дисперсного порошку оксиду магнію високої чистоти проводили в електролізері, який заповнювали водним розчином хлористого амонію 0,1 моль/л. Електродами служили магнієві пластини високої чистоти, через які пропускали асиметричний змінний струм, отриманий шляхом накладення змінного струму на постійний. Поляризацію 2 електродів здійснювали наступним чином: густина змінного струму - 800 мА/см , постійного 2 100 мА/см . Вихід за струмом оксиду магнію становив 158 %. При електролізі даною густиною струму відбувається зміщення потенціалу від рівноважного, внаслідок чого створюються передумови для протікання електродних реакцій, які полегшують отримання гідроксиду магнію. Отриманий гідроксид магнію промивали і висушували при 110 °C. Потім піддавали термічній обробці при 500 °C. Розміри частинок отриманого оксиду магнію складали 3,5 нм, питома 2 поверхня 25 м /г. Приклад 2. Електрохімічний синтез дисперсного порошку оксиду магнію високої чистоти проводили в електролізері, який заповнювали водним розчином хлористого амонію 1,5 моль/л. 2 UA 94229 U 5 10 15 20 25 30 Електродами служили магнієві пластини високої чистоти, через які пропускали асиметричний змінний струм, отриманий шляхом накладення змінного струму на постійний. Поляризацію 2 електродів здійснювали наступним чином: густина змінного струму -500 мА/см , постійного - 300 2 мА/см . Вихід за струмом оксиду магнію становив 180 %. При електролізі даною густиною струму відбувається зміщення потенціалу від рівноважного, внаслідок чого створюються передумови для протікання електродних реакцій, які полегшують отримання гідроксиду магнію. Отриманий гідроксид магнію промивали і висушували при 110 °C. Потім піддавали термічній обробці при 550 °C. Розміри частинок отриманого оксиду магнію складали 6,5 нм, питома 2 поверхня 25 м /г. Приклад 3. Електрохімічний синтез дисперсного порошку оксиду магнію високої чистоти проводили в електролізері, який заповнювали водним розчином хлористого амонію 2,0 моль/л. Електродами служили магнієві пластини високої чистоти, через які пропускали асиметричний змінний струм, отриманий шляхом накладення змінного струму на постійний. Поляризацію 2 електродів здійснювали наступним чином: густина змінного струму - 100 мА/см , постійного 2 500 мА/см . Вихід за струмом оксиду магнію становив 125 %. При електролізі даною густиною струму відбувається зміщення потенціалу від рівноважного, внаслідок чого створюються передумови для протікання електродних реакцій, які полегшують отримання гідроксиду магнію. Отриманий гідроксид магнію промивали і висушували при 110 °C. Потім піддавали термічній обробці при 600 °C. Розміри частинок отриманого оксиду магнію складали 8,5 нм, питома поверхня 35 м /г. Одержаний порошок оксиду магнію аналізували на залишковий вміст домішок. Порошок -5 -6 оксиду магнію мав наступний хімічний склад, мас. %: MgO 99.99; залізо 2·10 ; кадмій 8·10 ; -6 -5 -5 -5 -5 -5 мідь 7·10 ; миш'як 4·10 ; нікель 3·10 ; олово 2·10 ; ртуть 6·10 ; свинець 4·10 . Джерела інформації: 1. Руководство по неорганическому синтезу: В 6-ти томах Т. 3. Под ред. Г.Брауэра М.: Мир 1985. 2. Anderson P.J., Horlock R.F. Termal Decomposition of Magnesium Hydroxide // Trans. Faraday Soc.-1962. -V. 58. - P. 1993-2004. 3. Патент ПНР 127298 МПК С 25 В 1/20, С 01 F 5/08 Sposob wytvarzania tlenku magnezu. Przyluski Jan. Boroch Edward.Kolbrecka Krystina, Rochalska Maria, Wleosinski Wladyslaw. Заявл.30.12.1980, Опубл. 30.07. 1985 г. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 Спосіб електрохімічного синтезу оксиду магнію, що включає окиснення магнію під дією змінного струму, який відрізняється тим, що окиснення здійснюють при поляризації магнієвих електродів асиметричним змінним струмом, утвореним шляхом накладення змінного струму 2 промислової частоти на постійний при густинах струму: змінного - 100-800 мА/см , постійного 2 100-500мА/см в розчинах, що містять 0,1-2,0 моль/л хлориду амонію з наступною термічною обробкою отриманих гідроксосполук магнію при 500-600 °C. Комп’ютерна верстка М. Шамоніна Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3