PL238524B1

PL238524B1 - Sposób otrzymywania kompozytu nanokrystalicznego żelaza i jego zastosowanie do adsorpcji zanieczyszczeń z fazy ciekłej

Info

Publication number: PL238524B1
Application number: PL422401A
Authority: PL
Inventors: Wojciech Konicki; Walerian Arabczyk
Original assignee: Akademia Morska W Szczecinie; Univ West Pomeranian Szczecin Tech
Priority date: 2017-07-31
Filing date: 2017-07-31
Publication date: 2021-08-30
Also published as: PL422401A1

Abstract

Sposób otrzymywania kompozytu nanokrystalicznego żelaza, polegający na tym, że spiek nanokrystalicznego żelaza z dodatkiem tlenku glinu i/lub tlenku wapnia, przy czym sumaryczna zawartość tlenków glinu i wapnia wynosi od 3 do 7% wagowych poddaje się procesowi redukcji, a następnie nawęglania do uzyskania stosunku liczby moli węgla do liczby moli żelaza nie mniejszej niż 10 i nie większej niż 50, po czym próbkę chłodzi się do temperatury pokojowej w atmosferze gazu inertnego.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania kompozytu nanokrystalicznego żelaza i jego zastosowanie do adsorpcji zanieczyszczeń z fazy ciekłej.

Znany jest z publikacji US5472749A sposób otrzymywania nanokrystalicznych cząstek metali i stopów takich jak nikiel, żelazo, kobalt lub stop kobalt-chrom pokrytych powłoką grafitową. Materiał otrzymywany jest za pomocą metody łuku wolframowego, w której do pokrycia nanomateriału wykorzystuje się aparat złożony z katody w formie pręta wolframowego oddzielonego od tygla grafitowego oraz anody zbudowanej z materiału, który ma być kapsułkowany. Komora łukowa jest wypełniona gazem obojętnym lub gazem redukującym.

Sposób otrzymywania kompozytu nanokrystalicznego żelaza, według wynalazku, charakteryzuje się tym, że spiek nanokrystalicznego żelaza o średnicy ziarna od 0.5 do 1,2 mm z dodatkiem tlenku glinu i/lub tlenku wapnia, w takiej ilości, że ich zawartość wynosi od 3 do 7% wagowych, poddaje się procesowi redukcji. Proces redukcji prowadzi się wodorem, pod ciśnieniem atmosferycznym, od temperatury pokojowej do 650°C, do ustabilizowania się masy próbki. Następnie poddaje się nawęglaniu w zakresie temperatur od 300 do 800°C, w obecności węglowodoru bądź mieszaniny węglowodorów lub węglowodoru bądź mieszaniny węglowodorów z gazem obojętnym, do uzyskania stosunku liczby moli węgla do liczby moli żelaza nie mniejszej niż 15 i nie większej niż 50, po czym próbkę chłodzi się do temperatury pokojowej w atmosferze gazu obojętnego. Zastosowanie mieszaniny kompozytu określonej w zastrz. 1 do adsorpcji zanieczyszczeń z fazy ciekłej.

Sposób według wynalazku pozwala na otrzymanie kompozytu złożonego z cząstek nanokrystalicznego żelaza pokrytych wielowarstwową otoczką grafitową. Biorąc pod uwagę właściwości magnetyczne żelaza tak otrzymany adsorbent (kompozyt) może być łatwo oddzielany po procesie adsorpcji z fazy ciekłej za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widmo XRD próbki po procesie nawęglania, fig. 2 - obraz HRTEM nanokrystalitów żelaza otoczonych warstwami grafitowymi, po procesie nawęglania, fig. 3 - widmo XRD próbki po procesie nawęglania, fig. 4 - obraz HRTEM nanokrystalitów żelaza otoczonych warstwami grafitowymi po procesie nawęglania, fig. 5 - wykres przedstawiający zdolność adsorpcyjną kompozytu otrzymanego z przykładu 1 dla adsorpcji jonów Ni²⁺ w 20°C przy pH=7, fig. 6 - wykres przedstawiający zdolność adsorpcyjną kompozytu otrzymanego z przykładu 2 dla adsorpcji barwnika Acid Red 88 w 30°C przy pH=7.

P r z y k ł a d 1

W piecu elektrycznym przeprowadzono proces topienia tlenków żelaza z dodatkiem tlenku glinu (3,3% wagowych AI2O3) w temperaturze 1600°C otrzymując roztwór ciekły tych tlenków, który po ochłodzeniu do temperatury pokojowej stanowił stop. Stop ten rozdrabniano i przesiewano przez sita otrzymując frakcję ziaren o średnicy od 0,5 do 1,0 mm. Próbkę frakcji o masie 1 g i umieszczono w koszyczku platynowym w termowadze i redukowano wodorem pod ciśnieniem atmosferycznym od temperatury pokojowej do 650°C. Proces redukcji prowadzono do ustabilizowania się masy próbki, która wystąpiła po czasie około 50 godzin. Po procesie redukcji prowadzono proces nawęglania próbki w temperaturze 650°C metanem pod ciśnieniem atmosferycznym. Proces prowadzono do stopnia nawęglenia nC/nFe=40, gdzie nC/nFe jest stosunkiem liczby moli węgla do liczby moli żelaza w układzie węgiel-żelazo. Po procesie nawęglania próbka w formie proszku chłodzona była w atmosferze azotu do temperatury pokojowej. Analiza wykonana metodą proszkowej dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) próbki po procesie nawęglania wykazała obecność żelaza oraz grafitu (fig. 1). Analiza wykonana za pomocą wysokorozdzielczej transmisyjnej mikroskopii elektronowej (HRTEM) wykazała obecność wielowarstwowej otoczki grafitowej wynoszącej ok. 20 nm (fig. 2).

Badania zdolności adsorpcyjnej otrzymanego kompozytu prowadzono w kolbie Erlenmeyera w której umieszczono roztwór (150 ml) o początkowym stężeniu jonów Ni²⁺ równym 20 mg L^-1 i pH=7. Proces prowadzono w temperaturze 20°C. Kolbę z roztworem zamknięto i umieszczono w łaźni wodnej z wytrząsaniem oraz kontrolowaną temperaturą i mieszano z prędkością 160 rpm. Po ustabilizowaniu się temperatury roztworu do 20°C, do roztworu dodano 40 mg kompozytu otrzymanego z przykładu 1. Następnie w określonych, niejednolitych odstępach czasu pobierano próbkę w ilości 1 mL i separowano adsorbent (kompozyt) za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego w postaci magnesu neodymowego. Stężenie jonów Ni²⁺ oznaczano metodą spektrofotometryczną UV-VIS z dimetyloglioksymem

PL 238 524 B1 przy Xmax = 530 nm. Figura 5 przedstawia wpływ czasu adsorpcji jonów Ni2+ na zdolność adsorpcyjną kompozytu w temperaturze 20°C przy pH=7.

P r z y k ł a d 2

W piecu elektrycznym przeprowadzono proces topienia tlenków żelaza z dodatkiem tlenku glinu i tlenku wapnia (3,3% wagowych AI2O3, 2.8% wagowych CaO) w temperaturze 1600°C otrzymując roztwór ciekły tych tlenków, który po ochłodzeniu do temperatury pokojowej stanowił stop. Stop ten rozdrabniano i przesiewano przez sita otrzymując frakcję ziaren o średnicy od 0,7 do 1,2 mm. Próbkę frakcji o masie 1 g umieszczono w koszyczku platynowym w termowadze i redukowano wodorem pod ciśnieniem atmosferycznym od temperatury pokojowej do 650°C. Proces redukcji prowadzono do ustabilizowania się masy próbki, która wystąpiła po czasie około 42 godzin. Po procesie redukcji prowadzono proces nawęglania próbki w temperaturze 500°C acetylenem pod ciśnieniem atmosferycznym. Proces prowadzono do stopnia nawęglenia dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) =50, gdzie dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) jest stosunkiem liczby moli węgla do liczby moli żelaza w układzie węgiel-żelazo. Po procesie nawęglania próbka w formie proszku chłodzona była w atmosferze argonu do temperatury pokojowej. Analiza wykonana metodą proszkowej dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) próbki po procesie nawęglania wykazała obecność żelaza, węglika żelaza Fe3C oraz grafitu (fig. 3). Analiza wykonana za pomocą wysokorozdzielczej transmisyjnej mikroskopii elektronowej (HRTEM) wykazała obecność wielowarstwowej otoczki grafitowej wynoszącej ok. 30 nm (fig. 4).

Badania zdolności adsorpcyjnej otrzymanego kompozytu prowadzono w kolbie Erlenmeyera w której umieszczano roztwór (150 ml) o początkowym stężeniu barwnika Acid Red 88 równym 40 mg L^-1 i pH=7. Proces prowadzono w temperaturze 30°C. Kolbę z roztworem zamknięto i umieszczono w łaźni wodnej z wytrząsaniem oraz kontrolowaną temperaturą i mieszano z prędkością 160 rpm. Po ustabilizowaniu się temperatury roztworu do 30°C, do roztworu dodano 30 mg kompozytu o trzymanego z przykładu 2. Następnie w określonych, niejednolitych odstępach czasu pobierano próbkę w ilości 1 mL i separowano adsorbent (kompozyt) za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego w postaci magnesu neodymowego. Stężenie barwnika Acid Red 88 oznaczano metodą spektrofotometryczną UV-VIS przy Xmax = 505 nm. Figura 6 przedstawia wpływ czasu adsorpcji barwnika na zdolność adsorpcyjną kompozytu w temperaturze 30°C przy pH=7.

P r z y k ł a d 3

W piecu elektrycznym przeprowadzono proces topienia tlenków żelaza z dodatkiem tlenku glinu i tlenku wapnia (3,3% wagowych AI2O3, 2,8% wagowych CaO) w temperaturze 1600°C otrzymując roztwór ciekły tych tlenków, który po ochłodzeniu do temperatury pokojowej stanowił stop. Stop ten rozdrabniano i przesiewano przez sita otrzymując frakcję ziaren o średnicy od 0,7 do 1,2 mm. Próbkę frakcji o masie 1 g umieszczono w koszyczku platynowym w termowadze i redukowano wodorem pod ciśnieniem atmosferycznym od temperatury pokojowej do 650°C. Proces redukcji prowadzono do ustabil izowania się masy próbki, która wystąpiła po czasie około 42 godzin. Po procesie redukcji prowadzono proces nawęglania próbki w temperaturze 760°C mieszaniną metanu z azotem w stosunku CH4:N2=10:4 pod ciśnieniem atmosferycznym. Proces prowadzono do stopnia nawęglenia nc/nFe =15, gdzie nc/nFe jest stosunkiem liczby moli węgla do liczby moli żelaza w układzie węgiel-żelazo. Po procesie nawęglania próbka w formie proszku chłodzona była w atmosferze argonu do temperatury pokojowej. Po procesie nawęglania próbka w formie proszku chłodzona była w atmosferze argonu do temperatury pokojowej.

P r z y k ł a d 4

W piecu elektrycznym przeprowadzono proces topienia tlenków żelaza z dodatkiem tlenku glinu (3,3% wagowych AI2O3) w temperaturze 1600°C otrzymując roztwór ciekły tych tlenków, który po ochłodzeniu do temperatury pokojowej stanowił stop. Stop rozdrabniano i przesiewano przez sita otrzymując frakcję ziaren o średnicy od 5 do 1,0 mm. Próbkę frakcji o masie 1 g umieszczono w koszyczku platynowym w termowadze i redukowano wodorem pod ciśnieniem atmosferycznym od temperatury pokojowej do 650°C. Proces redukcji -prowadzono do ustabilizowania się masy próbki, która wystąpiła po czasie około 50 godzin. Po procesie redukcji prowadzono proces nawęglania próbki w temperaturze 300°C mieszaniną metanu z etanem w stosunku CH4:C2H6=1:1 pod ciśnieniem atmosferycznym. Proces prowadzono do stopnia nawęglenia nc/nFe=30, gdzie nc/nFe jest stosunkiem liczby moli węgla do liczby moli żelaza w układzie węgiel-żelazo. Po procesie nawęglania próbka w formie proszku chłodzona była w atmosferze azotu do temperatury pokojowej.

PL 238 524 B1

P r z y k ł a d 5

W piecu elektrycznym przeprowadzono proces topienia tlenków żelaza z dodatkiem tlenku glinu (3,3% wagowych AI2O3) w temperaturze 1600°C otrzymując roztwór ciekły tych tlenków, który po ochłodzeniu do temperatury pokojowej stanowił stop. Stop rozdrabniano i przesiewano przez sita otrzymując frakcję ziaren o średnicy od 0,5 do 1,0 mm. Próbkę frakcji o masie 1 g umieszczono w koszyczku platynowym w termowadze i redukowano wodorem pod ciśnieniem atmosferycznym od temperatury pokojowej do 650°C. Proces redukcji prowadzono do ustabilizowania się masy próbki, która wystąpiła po czasie około 50 godzin.

Po procesie redukcji prowadzono proces nawęglania próbki w temperaturze 600°C mieszaniną metanu z etanem i azotem w stosunku CH4:C2H6:N2=1:1:0.5 pod ciśnieniem atmosferycznym. Proces prowadzono do stopnia nawęglenia nC/nFe=25, gdzie nC/nFe jest stosunkiem liczby moli węgla do liczby moli żelaza w układzie węgiel-żelazo. Po procesie nawęglania próbka w formie proszku chłodzona była w atmosferze azotu do temperatury pokojowej.

P r z y k ł a d 6

W piecu elektrycznym przeprowadzono proces topienia tlenków żelaza z dodatkiem tlenku glinu i tlenku wapnia (3,3% wagowych AI2O3, 2,8% wagowych CaO) w temperaturze 1600°C otrzymując roztwór ciekły tych tlenków, który po ochłodzeniu do temperatury pokojowej stanowił stop. Stop ten rozdrabniano i przesiewano przez sita otrzymując frakcję ziaren o średnicy od 0,7 do 1,2 mm. Próbkę frakcji o masie 1 g umieszczono w koszyczku platynowym w termowadze i redukowano wodorem pod ciśnieniem atmosferycznym od temperatury pokojowej do 650°C. Proces redukcji prowadzono do ustabilizowania się masy próbki, która wystąpiła po czasie około 42 godzin. Po procesie redukcji prowadzono proces nawęglania próbki w temperaturze 430°C mieszaniną etanu z azotem i wodorem w stosunku C2H6:N2:H2=5:1:0.2 pod ciśnieniem atmosferycznym. Proces prowadzono do stopnia nawęglenia nc/nfe =45, gdzie nc/nfe jest stosunkiem liczby moli węgla do liczby moli żelaza w układzie węgiel-żelazo. Po procesie nawęglania próbka w formie proszku chłodzona była w atmosferze argonu do temperatury pokojowej. Po procesie nawęglania próbka w formie proszku chłodzona była w atmosferze argonu do temperatury pokojowej.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób otrzymywania kompozytu nanokrystalicznego żelaza, znamienny tym, że spiek nanokrystalicznego żelaza o średnicy ziarna od 0,5 do 1,2 mm z dodatkiem tlenku glinu i/lub tlenku wapnia, w takiej ilości, że ich zawartość wynosi od 3 do 7% wagowych, poddaje się procesowi redukcji wodorem, pod ciśnieniem atmosferycznym, od temperatury pokojowej do 650°C, do ustabilizowania się masy próbki, następnie poddaje się nawęglaniu w zakresie temperatur od 300 do 800°C, w obecności węglowodoru bądź mieszaniny węglowodorów lub węglowodoru bądź mieszaniny węglowodorów z gazem obojętnym, do uzyskania stosunku liczby moli węgla do liczby moli żelaza nie mniejszej niż 15 i nie większej niż 50, po czym próbkę chłodzi się do temperatury pokojowej w atmosferze gazu obojętnego.
2. Zastosowanie mieszaniny kompozytu określonej w zastrz. 1 do adsorpcji zanieczyszczeń z fazy ciekłej.