ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕХАНОХИМИЧЕСКОЙ И ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТОК ПРИ СИНТЕЗЕ КАТАЛИТИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ВЕРМИКУЛИТА И ОКСИХЛОРИДА ЦИРКОНИЯ

  • Natalya E. Gordina Ивановский государственный химико-технологический университет
  • Anton A. Melnikov Ивановский государственный химико-технологический университет
  • Grigoriy I. Gusev Ивановский государственный химико-технологический университет
  • Andrey A. Gushchin Ивановский государственный химико-технологический университет
  • Ruslan N. Rumyantsev Ивановский государственный химико-технологический университет
  • Irina A. Astrakhantseva Ивановский государственный химико-технологический университет
Ключевые слова: катализатор, вермикулит, оксихлорид циркония, механохимическая активация, плазмохимическая обработка

Аннотация

В работе исследованы различные подходы к синтезу каталитических систем на основе вермикулита и диоксида циркония, базирующиеся на использовании механохимической и плазмохимической обработок. Определено их влияние на структуру и свойства катализаторов для удаления токсичного 2,4-дихлорфенола из водного раствора. Процесс механохимической активации (МХА) контролируется с помощью рентгенофазового анализа, инфракрасной спектрометрии и сканирующей электронной микроскопии. Размер частиц вермикулита измерялся с помощью сканирующей электронной микроскопии и рассчитан с использованием данных рентгеновской дифракционной спектроскопии. Для характеристики степени механохимической активации были использованы размеры областей когерентного рассеивания и величина микродеформаций. Были проанализированы такие параметры, как: изменение базального расстояния, гидратационные состояния вермикулита, площадь удельной поверхности, подробно рассмотрены изотермы адсорбции-десорбции азота с поверхности образцов, построены кинетические зависимости разложения 2,4-дихлорфенола в водном растворе. В результате проделанной работы обнаружен положительный эффект от механохимической и плазмохимической обработки систем на основе вермикулита и диоксида циркония. Полученные образцы обладают развитой морфологией поверхности, при введении диоксида циркония уменьшаются области когерентного рассеивания и происходит накопление микродеформаций, что связано с внедрением Zr4+ в межслойные пространства вермикулита. Использование механохимической и плазмохимической обработки увеличивает как степень разложения (с 60 до 79% при заданных параметрах обработки), так и скорости, энергетические вклады в процесс деструкции, а сама вермикулитовая каталитическая система более эффективна в совмещённых плазменно-каталитических процессах (СПКП) разложения 2,4-ДХФ, чем Pt/Al2O3.

Литература

Gordina N.E., Prokof'ev V.Y., Il'in A.P. Extrusion Mold-ing of Sorbents Based on Synthesized Zeolite. Keramika Stekol. 2005. 62. P. 282-286 (in Russian). DOI: 10.1007/s10717-005-0092-3.

Ilyin A.A., Rumyantsev R.N., Zhukov A.B., Ilyin A.P. Mechanochemical synthesis of iron-molybdenum catalyst for formaldehyde synthesis. Ross. Nanotekhnol.. 2016. 11. P. 569-578 (in Russian). DOI: 10.1134/S1995078016050086.

Prozorov D.A., Afineevskii A.V., Smirnov D.V., Nikitin K.A. Adsorption deformation during liquid-phase hydro-genation of unsaturated carbon bonds over bulk and supported nickel catalysts. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2022. V. 65. N 1. P. 66-75 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20226501.6426.

Chizhevskij A.A., Abdullin I.Sh., Zheltukhin V.S. Preparation of catalysts by plasma modification or carrier treatment. Vestn. Kazan. Tekhnol. Un-ta. 2015. 18. P. 159-162 (in Russian).

Bergaya, F., Jaber, M., Lambert, J.-F. Clays and Clay Minerals: Science, Technology and Applications. In: Rubber‐Clay Nanocomposites. Ed. by M. Galimberti. John Wiley & Sons, Inc. 2011. P. 1-44. DOI: 10.1002/9781118092866.ch1.

Aboul-Gheit A.K., El-Desouki D.S., Abdel-Hamid S.M., Ghoneim S.A., Ibrahim A.H., Gad F.K. Sulfated Zirconia Catalysts for Low Temperature Isomerization of n-Pentane. Egypt J. Chem. 2012. V. 55. P. 509-527. DOI: 10.21608/ejchem.2012.1171.

Bocanegra-Bernal M.H., de la Torre S.D. Phase transitions in zirconium dioxide and related materials for high per-formance engineering ceramics. J. Mater. Sci. 2002. V 37. P. 4947-4971. DOI: 10.1023/A:1021099308957.

Debsikdar J.C., Sowemimo O.S. Effect of zirconia addition on crystallinity, hardness, and microstructure of gelderived barium aluminosilicate, BaAl2Si2O8. J. Mater. Sci. 1992. V. 27. P. 5320-5324. DOI: 10.1007/BF02403837.

Ke X., Baki V.A. Assessing the suitability of alkali-activated metakaolin geopolymer for thermochemical heat storage. Micropor. Mesopor. Mater. 2021. P. 325. DOI: 10.1016/j.micromeso.2021.111329.

Valášková M., Tokarský J., Hundáková M., Zdrálková J., Smetana B. Role of vermiculite and zirconium–vermiculite on the formation of zircon–cordierite nanocom-posites. Appl. Clay Sci. 2013. V. 75-76. P. 100-108. DOI: 10.1016/j.clay.2013.02.015.

Zou Y., Zhang R., Wang L., Xue K., Chen J. Strong adsorption of phosphate from aqueous solution by zirconi-umloaded Camontmorillonite. Appl. Clay Sci. 2020. P. 192. DOI: 10.1016/j.clay.2020.105638.

Kuznetsov P.N., Tverdokhlebov V.P., Kuznetsova L.I., Kazbanova A.V., Mel'chakov D.A., Dovzhenko N.N. New catalysts based on zirconium dioxide for the isomeriza-tion of alkanes of petroleum fractions. Zhurn. Sibir. Fed. Un-ta. Tekhnika Tekhnol. 2011. 4. P. 438-452 (in Russian).

Liu R., Song H., Li B., Li X., Zhu T. Simultaneous removal of toluene and styrene by non-thermal plasma-catalysis: Effect of VOCs interaction and system configuration. Chemosphere. 2021. P. 263. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2020.127893.

Mizuno A. Generation of non-thermal plasma combined with catalysts and their application in environmental technol-ogy. Catal. Today. 2013. V. 211. P. 2-8. DOI: 10.1016/j.cattod.2013.03.029.

Thevenet F., Sivachandiran L., Guaitella O., Barakat C., Rousseau A. Plasma–catalyst coupling for volatile organic compound removal and indoor air treatment: a review. J. Phys. D: Appl. Phys. 2014. V. 47. DOI: 10.1088/0022-3727/47/22/224011.

Tu X., Christopher Whitehead J., Nozaki T. Plasma Catalysis. Switzerland. Springer, Cham. 2019. DOI: 10.1007/978-3-030-05189-1.

Van Durme J., Dewulf J., Leys C., Van Langenhove H. Combining non-thermal plasma with heterogeneous catalysis in waste gas treatment: A review. Appl. Catal. 2008. V. 78. P. 324-333. DOI: 10.1016/j.apcatb.2007.09.035.

Parmon V.N., Noskov A.S., Anfimova N.P., Shmachkova V.P. The state and prospects of development of the catalyst sub-sector and catalysis developments in Russia. Kataliz Promysh. 2006. 1. P. 6-20 (in Russian).

Gordina N.E., Prokof’ev V.Y., Hmylova O.E., Kul’pina Y.N. Effect of ultrasound on the thermal behavior of the mixtures for the LTA zeolite synthesis based on metakaolin. J. Therm. Anal. 2017. V. 129. P. 1415-1427. DOI: 10.1007/s10973-017-6357-6.

Il’in A.A., Smirnov N.N., Rumyantsev R.N., Ivanova T.V., Il’in A.P., Mechanochemical synthesis of zinc oxides with the use of liquid and gaseous media. Zhurn. Prikl. Khim. 2014. 87. P. 1412-1416 (in Russian). DOI: 10.1134/S1070427214100036.

Baláž P. Mechanochemistry in Minerals Engineering. In: Mechanochemistry in Nanoscience and Minerals Engineering. Ed. by P. Baláž. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. 2008. P. 257-296. DOI: 10.1007/978-3-540-74855-7_5.

Zhao B., Chen Z., Yan X., Ma X., Hao Q. CO Methana-tion over Ni/SiO2 Catalyst Prepared by Ammonia Impregnation and Plasma Decomposition. Top Catal. 2017. V. 60. P. 879-889. DOI: 10.1007/s11244-017-0752-x.

Butman M.F., Gushchin A.A., Ovchinnikov N.L., Gusev G.I., Zinenko N.V., Karamysheva S.P., Krämer K.W. Synergistic Effect of Dielectric Barrier Discharge Plasma and TiO2-Pillared Montmorillonite on the Degradation of Rhodamine B in an Aqueous Solution. Catalysts. 2020. V. 10. P. 359. DOI: 10.3390/catal10040359.

Gusev G.I., Gushchin A.A., Grinevich V.I., Filippov D.V., Izvekova T.V. Physicochemical properties of sorbents used for wastewater treatment from oil products. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2018. V. 61. N 7. P. 137–143 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20186107.5686.

Melnikov A.A., Gordina N.E., Tyukanova K.A., Gusev G.I., Gushchin A.A., Rumyantsev R.N. Synthesis of sorption systems based on mechanochemically activated vermiculite. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2021. V. 64. N 8. P. 63-71. DOI: 10.6060/ivkkt.20216408.6422.

Hoseini S.N., Pirzaman A.K., Aroon M.A., Pirbazari A.E. Photocatalytic degradation of 2, 4-dichlorophenol by Codoped TiO2 (Co/TiO2) nanoparticles and Co/TiO2 containing mixed matrix membranes. J. Water Process. Eng. 2017. V. 17. P. 124-134. DOI: 10.1016/j.jwpe.2017.02.015.

Leong S., Razmjou A., Wang K., Hapgood K., Zhang X., Wang H. TiO2 based photocatalytic membranes: A re-view. J. Membr. Sci. 2014. V. 472. P. 167-184. DOI: 10.1016/j.memsci.2014.08.016.

Hallaj T., Amjadi M. Determination of 2, 4-dichlorophenol in water samples using a chemiluminescence system consisting of graphene quantum dots, rhodamine B and cerium (IV) ion. Mikrochim Acta. 2016. V. 183. P. 1219-1225. DOI: 10.1007/s00604-016-1749-z.

Jiang G., Lan M., Zhang Z., Lv X., Lou Z., Xu X., Dong F., Zhang S. Identification of active hydrogen species on palladium nanoparticles for an enhanced electrocatalytic hydrodechlorination of 2, 4-dichlorophenol in water. J. Environ. Sci. Technol. 2017. V. 51. P. 7599-7605. DOI: 10.1021/acs.est.7b01128.

Wang, Y., Zhang, J.-X., Ren, H.-J., Wang, Y., Pan, H.-Y., Zhang, L.-Y. Phytoremediation potentiality of garlic roots for 2, 4-dichlorophenol removal from aqueous solu-tions. Appl. Microbiol. 2015. V. 99. P. 3629-3637. DOI: 10.1007/s00253-014-6277-3.

Xiao B., Cui L.-Q., Ding C., Wang H. Effects of lithium and 2, 4-dichlorophenol on zebrafish: circadian rhythm disorder and molecular effects. Zebrafish. 2017. V. 14. P. 209-215. DOI: 10.1089/zeb.2016.1389.

Angelini V.A., Agostini E., Medina M.I., González P.S. Use of hairy roots extracts for 2, 4-DCP removal and toxicity evaluation by Lactuca sativa test. Environ. Sci. Pollut. Res. 2014. V. 21. P. 2531-2539. DOI: 10.1007/s11356-013-2172-1.

Gu L., Chen Z., Sun C., Wei B., Yu X. Photocatalytic degradation of 2, 4-dichlorophenol using granular activated carbon supported TiO2. Desalination. 2010. V. 263. P. 107-112. DOI: 10.1016/j.desal.2010.06.045.

Ormad M.P., Ovelleiro J.L., Kiwi J. Photocatalytic degradation of concentrated solutions of 2,4-dichlorophenol using low energy light: Identification of intermediates. Appl. Catal. B. 2001. V. 32. P. 157-166. DOI: 10.1016/S0926-3373(01)00132-1.

Buchanan I.D., Nicell J.A. Model development for horse-radish peroxidase catalyzed removal of aqueous phenol. Biotechnol. Bioeng. 1997. V. 54. P. 251-261. DOI: 10.1002/(sici)1097-0290(19970505)54:3%3C251::aid-bit6%3E3.0.co;2-e.

Busca G., Berardinelli S., Resini C., Arrighi L. Technologies for the removal of phenol from fluid streams: a short review of recent developments. J. Hazard. Mater. 2008. V 160. P. 265-288. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2008.03.045.

Eapen S., Singh S., D'Souza S.F. Advances in development of transgenic plants for remediation of xenobiotic pollu-tants. Biotechnol. Adv. 2007. V. 25. P. 442-451. DOI: 10.1016/j.biotechadv.2007.05.001.

Heegn H. On the connection between ultrafine grinding and mechanical activation of minerals. Aufbereitungstechnik. 1989. V. 30. P. 635-642.

Delogu F., Deidda C., Mulas G., Schiffini L., Cocco G. A quantitative approach to mechanochemical processes. J. Mater. Sci. 2004. V. 39. P. 5121-5124. DOI: 10.1023/B:JMSC.0000039194.07422.be.

Gushchin A.A., Grinevich V.I., Gusev G.I., Kvitkova E.Y., Rybkin V.V. Removal of Oil Products from Water Using a Combined Process of Sorption and Plasma Exposure to DBD. Plasma Chem. Plasma. 2018. V. 5. P. 1021-1033. DOI: 10.1007/s11090-018-9912-4.

Gusev G.I., Gushchin A.A., Grinevich V.I., Izvekova T.V., Kvitkova E.Y., Rybkin V.V. Destruction of aqueous solutions of 2, 4-dichlorophenol in a plasma-catalytic barrier discharge reactor. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2021. V. 64. N 11. P. 103-111. DOI: 10.6060/ivkkt.20216411.6507.

Bird R.B., Stewart W.E., Lightfoot E.N. Transport phenomena. Wiley. 2006.

GOST R 51209-98, 1998. Drinking water. Method for determining the content of organochlorine pesticides by gasliquid chromatography. Ministry of Health of Russia. 1998 (in Russian).

Ekström T., Chatfield C., Wruss W., Maly-Schreiber M. The use of X-ray diffraction peak-broadening analysis to characterize ground Al2O3 powders. J. Mater. Sci. 1985. V. 20. P. 1266-1274. DOI: 10.1007/BF01026322.

Rumyantsev R.N., Melnikov A.A., Batanov A.A., Prozorov D.A., Il'in A.A., Afineevskij A.V. Influence of the conditions of mechanochemical activation on the physical and chemical properties of zinc oxide. Glass and ceramics. 2020. V. 93. N 10. P. 41-46.

Huo X., Wu L., Liao L., Xia Z., Wang L. The effect of interlayer cations on the expansion of vermiculite. Powder Technol. 2012. V. 224. P. 241-246. DOI: 10.1016/j.powtec.2012.02.059.

Liu D., Deng S., Vakili M., Du R., Tao L., Sun J., Wang B., Huang J., Wang Y., Yu G. Fast and high adsorption of Ni(II) on vermiculite-based nanoscale hydrated zirconium oxides. Chem. Eng. Technol. 2019. V. 360. P. 1150-1157. DOI: 10.1016/j.cej.2018.10.178.

Gopalan R., Chang C.H., Lin Y.S. Thermal stability improvement on pore and phase structure of sol-gel derived zirconia. J. Mater. Sci. 1995. V. 30. P. 3075-3081. DOI: 10.1007/BF01209219.

Mercera P.D.L., Van Ommen J.G., Doesburg E.B.M., Burggraaf A.J., Ross J.R.H. Zirconia as a support for cata-lysts: Evolution of the texture and structure on calcination in air. Appl. Catal. 1990. V. 57. P. 127-148. DOI: 10.1016/S0166-9834(00)80728-9.

Borik M., Gerasimov M., Lomonova E., Milovich F., Myzina V., Ryabochkina P., Sidorova N., Tabachkova N. Mechanical properties and transformation hardening mechanism in yttria, ceria, neodymia and ytterbia co-doped zirconia based solid solutions. Mater. Chem. Phys. 2019. V. 232. P. 28-33. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2019.04.047.

Ivanov A., Kustov L. Solid superacids based on zirconium oxide: the nature of active centers and isomerization of al-kanes. Ros. Khim. Zhurn. 2000. V. XLIV. P. 21-52 (in Russian).

Ruiz-Conde A., Ruiz-Amil A., Perez-Rodriguez J.L., Sánchez-Soto P.J. Dehydration–rehydration in magnesium vermiculite: conversion from two–one and one–two water layer hydration states through the formation of interstratified phases. J. Mater. Chem. 1996. V. 6. P. 1557-1566. DOI: 10.1039/JM9960601557.

Suzuki M., Wada N., Hines D.R., Whittingham M.S. Hydration states and phase transitions in vermiculite intercalation compounds. Phys. Rev. B. 1987. V. 36. P. 2844-2851. DOI: 10.1103/PhysRevB.36.2844.

Acosta E.J., Deng Y., White G.N., Dixon J.B., McInnes K.J., Senseman S.A., Frantzen A.S., Simanek E.E. Dendritic Surfactants Show Evidence for Frustrated Intercalation: A New Organoclay Morphology. Chem. Mater. 2003. V. 15. P. 2903-2909. DOI: 10.1021/cm0302328.

Huang C., Fan E., Xu H., Li M., Shao G., Wang H., Lu H., Zhang R. Effect of particle size of vermiculite on the microstructure and photocatalytic performance of g-C3N4/vermiculite composite. Solid State Sci. 2021. V. 113. DOI: 10.1016/j.solidstatesciences.2021.106533.

Luo X., Wang C., Wang L., Deng F., Luo S., Tu X., Au C. Nanocomposites of graphene oxidehydrated zirconium oxide for simultaneous removal of As(III) and As(V) from water. Chem. Eng. J. 2013. V. 220. P. 98-106. DOI: 10.1016/j.cej.2013.01.017.

Sprynskyy M., Kowalkowski T., Tutu H., Cukrowska E.M., Buszewski B. Adsorption performance of talc for uranium removal from aqueous solution. Chem. Eng. J. 2011. V. 171. P. 1185-1193. DOI: 10.1016/j.cej.2011.05.022.

Khalfaoui M., Knani S., Hachicha M.A., Lamine A.B. New theoretical expressions for the five adsorption type isotherms classified by BET based on statistical physics treatment. J. Colloid Interface Sci. 2003. V. 263.P. 350-356. DOI: 10.1016/S0021-9797(03)00139-5.

Lee D.H., Song Y.-H., Kim K.-T., Jo S., Kang H. Current state and perspectives of plasma applications for catalyst regeneration. Catal. Today. 2019. V. 337. P. 15-27. DOI: 10.1016/j.cattod.2019.04.071.

Wang B., Xiong Y., Han Y., Hong J., Zhang Y., Li J., Jing F., Chu W. Preparation of stable and highly active Ni/CeO2 catalysts by glow discharge plasma technique for glycerol steam reforming. Appl. Catal. B. 2019. V. 249. P. 257-265. DOI: 10.1016/j.apcatb.2019.02.074.

Опубликован
2022-04-13
Как цитировать
Gordina, N. E., Melnikov, A. A., Gusev, G. I., Gushchin, A. A., Rumyantsev, R. N., & Astrakhantseva, I. A. (2022). ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕХАНОХИМИЧЕСКОЙ И ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТОК ПРИ СИНТЕЗЕ КАТАЛИТИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ВЕРМИКУЛИТА И ОКСИХЛОРИДА ЦИРКОНИЯ. ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. СЕРИЯ «ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ», 65(5), 43-57. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20226505.6612
Раздел
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ неорг. и органических веществ, теоретические основы

Наиболее читаемые статьи этого автора (авторов)