Формирование текстуры типичных оксидных носителей и адсорбентов, получаемых методами осаждения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция 1. Формирование текстуры типичных оксидных носителей и адсорбентов, получаемых методами осаждения

гидрогель осадок текстура кристаллизующийся

Рассмотрены механизмы формирования текстуры в процессах сушки гидрогелей и влажных осадков, а далее -- полный цикл стадий формирования текстуры силикагелей, получаемых как золь-гель методом, так и соосаждением через коагели, выделены отличительные особенности формирования текстуры кристаллизующихся систем и систем, получаемых методами соосаждения.

В данной лекции на примерах генезиса силикагелей рассмотрены типовые стадии и механизмы формирования текстуры многих катализаторов и адсорбентов, получаемых методами осаждения и соосаждения.

1.1 Силикагели

Начнем с механизмов формирования текстуры силикагелей - широко распространенного типа адсорбентов и носителей катализаторов, синтез которых исследован наиболее подробно и включает типовые стадии, характерные для получения многих осажденных или соосажденных систем. Рассмотрим особенности формирования структуры силикагелей, полу-чаемых так называемым золь-гель методом с разделенными во времени и пространстве стадиями образования и старения золя и геля, а также осаждением через коагели, где стадии золя и геля проходят одновременно в одном и том же реакторе, а в разделах 14.5 и 14.6 перейдем к другим осажденным и соосажденным системам.

Открытие и первые исследования силикагелей обычно связывают с работами сэра Томаса Грэма (1805-1869), выполненными в 60 г.г. прошлого века в Лондонском университетском колледже. Он получил силикагель нйтрализацией силиката натрия соляной кислотой. Подобный метод выделения кремневой кислоты из ее соединений с последующей поликонденсацией в аморфные сферические глобулы SiO₂ остается основным способом получения силикагелей, только вместо НCl обычно используют H₂SO₄. Кроме того, кремневая кислота может быть выделена путем ионного обмена или электродиализа, а в качестве исходных реактивов могут использоваться SiCl₄ или кремнеорганические эфиры типа этилсиликатов, разлагаемые путем регулируемого гидролиза в жидкой или паровой фазе или сжиганием. При этом SiCl₄ используется преимущественно для получения аэросилов, а этилсиликаты - для синтеза наиболее чистых силикагелей и систем на их основе[1].

Рассмотрим особенности генезиса силикагелей при их синтезе золь-гель методом.

1.2 Формирование текстуры силикагелей, получаемых через стадии золя и геля

Механизмы формирования текстуры силикагелей описаны в [14] и определяются совокупностью химических и физико-химических процессов. Химические процессы (нейтрализация и гидролиз, олигомеризация, полимеризация, растворение, взаимодействие с примесями и т.д.) достаточно специфичны, в данной лекции ограничимся только более общими физико-химическими механизмами.

Образование первичных глобул SiO₂ определяется во всех случаях рассмотренными ранее механизмами зародышеобразования, а дальнейшие их трансформации - механизмами переконденсации, коагуляции и зарастания (см. разделы 11.5 и 12.2), а также механизмами процессов, происходящих при сушке и спекании. Для дальнейшего изложения важно отметить, что размер глобул, образующихся на стадии золя, определяет предельную вели-чину поверхности конечного продукта - высушенного силикагеля (ксерогеля). Действительно, на всех последующих стадиях перенос различных низкомолекулярных комплексов SiO₂ (далее для краткости - НМК) может приводить только к более или менее заметному снижению поверхности.

Минимальный размер глобул SiO₂ обычно изменяется в пределах 3 4 нм, что соответствует удельной поверхности силикагеля 900-700 м²/г. Однако Доллимор и Хилл [5] получили силикагели с размером частиц 1 нм, который, повидимому, соответствует предельной дисперности. Синтез таких силикагелей проведен в условиях, практически исключающих перенос НМК, т.к. все операции: осаждение золя, коагуляция и промывка геля проведены при температуре 8⁰ С с последующей сублимационной сушкой. Такие силика-гели обладают ярко выраженными молекулярно-ситовыми свойствами, т.к. практически не адсорбируют азот при 77К, но активно поглощают пары воды при 293К, что соответствует плотной упаковке частиц с размерами около 1 нм.

Осаждение этих силикагелей проведено при рН = 2, соответствующей ИЭТ (изоэлектрической точке), при которой кремневая кислота и глобулы, полученные ее конденсацией, обладают предельной для SiO₂ инертностью [1]. При таких значениях рН среды минимальна растворимость SiO₂, отсутствует сорбция ионов на поверхности частиц. Такие золи, несмотря на нулевой заряд поверхности, долго не коагулируют, т.е. обладают высокой агрегативной устойчивостью и минимальной вязкостью .

Зону вблизи ИЭТ, где глобулы лишены заряда, Айлер называет метастабильной из-за химической инертности, с повышением температуры или концентрации стабильность таких золей быстро снижается. Область “истинной” стабильности золя SiO₂ находится при рН 810, особенно при удельной сорбции 1 ион Na/нм² поверхности частиц золя. Такой золь может быть сконцентрирован путем кипячения вплоть до принудительной коагуляции при объемной доле твердой фазы, соответствующей образованию плотной случайной упаковки глобул, покрытых ионно-сольватными оболочками толщиной 1-2 нм [6]. Высокая стабильность таких золей позволяет регули-ровать их размер путем наращивания кремневой кислоты вплоть до потери седиментационной устойчивости при размерах ~ 10⁴ нм [1].

Отметим, что золи с частицами размером до 7 нм прозрачны как вода, при размерах 1030 нм наблюдается опалесценция, а при размере более 50 нм золь становится молочно-белым, что объясняется рассеянием света.

Таким образом, формирование удельной поверхности А начинается на стадии золя, на всех последующих стадиях величина А может только снижаться. В свою очередь, формирование пористости начинается на стадии образования трехмерного каркаса геля. Объем геля, заполненный жидкой фазой, определяет предельно возможный объем пор ксерогеля, который может быть реализован при отсутствии объемной усадки на всех последующих стадиях. Этот расчетный предельый объем равен V = W₀ /_ж, где W₀ - содержание жидкой фазы в г/ г SiO₂ (сухого), _ж -плотность жидкой фазы. Объемная усадка во всех случаях снижает значения этого верхнего предела. Одновременно изменяются значения и нижнего предела возможных измене-ний пористости ксерогеля, соответствующие (см. рис. 9.5) плотной случай-ной упаковке частиц или жестких агрегатов, образовавшихся в результате срастания первичных частиц на всех предыдущих стадиях (см. раздел 12.2). Старение малоконцентрированных гелей обычно сопровождается синерезисом - самопроизвольным уплотнением геля с выделением части дисперсионной среды. Такое уплотнение существенно снижает верхний предел изменений пористости. Кроме того, сближение первичных частиц повышает вероятность их контакта и, соответственно, срастания, т.е. может влиять на нижний предел возможных изменений пористости ксерогеля (механизм синерезиса можно объяснить переходом от обратимой коагуляции во втором энергетичес-ком минимуме к коагуляции в первом минимуме (см. раздел 11.8) и другими типами перестройки, включающей уплотнение, в том числе связанное с седиментацией).

Совокупное влияние рассмотренных стадий на формирование поверхности и пористости показано на рис.14.1 ( изменения текстуры на стадиях сушки рассмотрены отдельно в разделе 14.3). Формирование поверхности начинается на стадии образования золя. Но лишь в исключительных случаях эта предельная величина поверхности сохраняется вплоть до стадий высокотемпературного спекания (график 1), гораздо чаще старение золя и геля сопровождаются снижением поверхности ( график 2).

Аналогично, пористость начинает формироваться в момент образования геля, где объем геля задает верхний предел возможного диапазона изменений пористости ксерогеля (графики 3 и 4), а процессы старения- нижние пределы этого диапазона (графики 5 и 6, см. также рис. 9.5).

График 3 реализуется при отсутствии синерезиса и действия капиллярных сил при сушке, здесь объем изменяется лишь в условиях высокотемпературного спекания по механизмам, связанным с образованием жидкоподобной пластичной фазы в местах контактов частиц. Наиболее типовой является ситуация на графике 4, где предельный объем пор может снижаться при синерезисе, на I и II стадиях сушки ( см. ниже). Гипотетический нижний предел изменений пористости по линии 6 может быть реализован при отсутствии переноса SiO₂ и срастания глобул на всех стадиях. График 5 показывает рост нижнего предела пористости из-за срастания глобул на стадии старения геля и в ходе II стадии сушки. Пределы изменений пористости сливаются на Ш стадии сушки, завершающей формирование пористости. А теперь рассмотрим более подробно механизмы формирования на стадиях сушки гидрогеля.

1.3 Формирование текстуры силикагеля при сушке гидрогеля

В главе 13 были рассмотрены механизмы процессов сушки в системах с жесткой структурой. Процессы при сушке гидрогелей аналогичны, но дополнительно осложнены деформацией структуры гидрогеля под действием капиллярных сил, сопровождающей его превращение в ксерогель.

Схема процессов формирования текстуры ксерогеля при сушке гидрогеля показана на рис.14.2. Здесь можно выделить те же три характерных стадии: стадию I до прорыва фронта испарения в объем зерна, стадию II перемещения этого фронта в объеме зерна, и стадию III, когда жидкофазные домены сохраняются только у мест контактов первичных частиц. Рассмотрим чуть подробнее особенности процессов на этих стадиях, обусловленные пластичностью скелета гидрогеля.

Стадия I. На этой стадии между находящимися в приповерхностном слое глобулами SiO₂ образуются мениски жидкой фазы. При величине контактного угла смачивания < 90⁰ на каждую частицу, находящуюся между вогнутыми менисками, действует капиллярное давление P_ж, стремящееся “вдавить” частицу в объем геля. То же капиллярное давление одновременно действует и на жидкую фазу, стремясь перенести ее в направлении, противоположном смещению частиц. Величина силы F, действующей на частицы, определяется уравнением

F = P_ж A_S = [ 2/r ] A_S (14.1)

где А_S -площадь сечения глобулы, проведенная через периметр смачивания (рис.14.2а). Величина этой силы достигает предельных значений F_мах к концу I стадии, когда мениск минимального размера r_min проходит через “окно” между соседними глобулами. При этом

F_мах=[2 / r_min ] A_{S. max} (14.2)

где при среднем диаметре глобул D величина A_{S. max}=D² /4, а величина r_min с учетом уравнения (9.24) запишется как r_min 0.33 D [_п/(1 - _п), где _п-”пористость” геля в зоне испарения ( в данном случае это относительный объем промежутков между частицами, заполненный жидкой фазой). С учетом контактного угла смачивания и полученных соотношений уравнение (14.2) может быть переписано в виде

F_мах 5 (Cos) D (1 - _п)/ _п (14.3)

т.е. величина F_мах пропорциональна размеру глобул D, поверхностному натяжению жидкости , Cos и убывает с ростом _п. Это уравнение может быть использовано для оценок сил или давления, создаваемого капиллярными силами. Так, в системе вода-золь SiO₂ с размером частиц D = 4 нм при = 0 величина капиллярного давления P_ж 100 МРа.

Действие этих сил приводит к всестороннему сжатию гранулы и уплотнению слоя глобул или агрегатов, примыкающих к внешней поверхности, с соответствующим снижением _п и ростом F_мах. Но уплотнение приповерхностного слоя одновременно увеличивает его сопротивление к дальнейшим деформациям. Проведем некоторые оценки возможных ситуаций . Для этого введем параметр _р - характерное время релаксации возникающих напряжений, которое в первом приближении пропорционально вязкости геля (см. лекцию 17), и параметр ₁ - характерное время действия капиллярных сил при сушке, равный продолжительности сооответствующей стадии сушки ( см. дополнительно в лекции 17) ).

В условиях, когда _р/₁<<1, деформации распространяются на весь объем гранулы. Эти условия способствуют предельному уплотнению гранулы под действием капиллярных сил. Такие ситуации возникают, например, в условиях сушки с малой скоростью. В этом случае I стадия сушки определяет суммарную пористость получаемого ксерогеля.

В противоположной крайней ситуации при _р/₁>>1 деформации распространяются только в приповерхностном слое гранулы ограниченной толщины. В этом случае cистема “не успевает” перестраиваться под действием капиллярных сил. В предельном случае деформации в объеме могут полностью отсутствовать, а поведение гидрогеля и последовательность процес-сов в ходе сушки аналогичны их последовательности в жесткой матрице. Такие условия способствуют сохранению предельной пористости гидрогеля. На практике ситуация _р/₁>>1 может быть реализована при полном устранении действия капиллярных сил при сушке, когда ₁ = 0. Такие условия создаются в методе сушки по Кистлеру, который исключил действие капиллярных сил путем замены воды в гидрогеле на эфир с последующим нагревом в автоклаве при температуре выше критической для эфира. Это приводит к спонтанному испарению жидкости, в результате образуются ксерогели с пористостью, близкой пористости исходного гидрогеля.

Между этими крайними ситуациями возможно множество промежуточных. Вязкость приповерхностного слоя геля по мере уплотнения резко увеличивается вплоть до перехода в состояние упругого пористого тела в момент образования плотной случайной упаковки глобул. Здесь при _р/₁>1 возможны ситуации почти предельного уплонения приповерхностного слоя при минимальных изменениях в центральной части зерна. В таких условиях возможен прорыв фронта испарения через уплотненный пористый приповерхностный слой с дальнейшим развитием нескольких вариантов возможных cитуаций, действительно наблюдаемых на практике (рис.14.3):

а) Образование слоистых гранул, которое объясняется возобновлением ситуации I стадии, но уже не на поверхности, в объеме гранулы. Уплотненная пористая оболочка увеличивает диффузионное сопротивление, т.е. снижает скорость испарения. В результате величина соотношения _р/₁ снижается ( в пределе - до соответствующей режиму _р/₁<<1). В результате возможно образование нескольких уплотненных слоев, чередующихся с рыхлыми промежутками - результатом уплотнения отдельных слоев.

b) Образование амфорообразных или полых гранул за счет локального прорыва фронта испарения по какому-то участку в объем гранулы. Появление трехфазной границы т/ж/п в объеме гранулы инициирует действие капилляр-ных сил, которые могут расширять образующуюся полость, уплотняя ее стенки (механизм уплотнения, характерный для II стадии сушки, см. ниже). При этом ситуации типа “а” характерны для однородных, а типа “b”- неоднородных систем.

с) Образование “амфорообразных” гранул или полное их разрушение может быть связано с перегревом гранул после образования приповерхностной корки и снижения скорости испарения. В результате возможен перегрев гранул до температур, приводящих к cпонтанному вскипанию растворителя, а повыше-ние давления может приводить к полному разрушению гранул с жесткой структурой или прорыву пара с образованием крупного кратера (т.е. амфороподобных гранул) в системах с достаточно пластичным приповерхност-ным слоем. В последнем случае повышение внутренненго давления до проры-ва может приводит к искажению формы гранул.

В итоге пределы уплотнения и другие особенности процессов I стадии сушки существенно зависят от режима сушки, размера гранул, их структуры и исходного состава. Но суммарный объем пор конечного продукта - ксерогеля в любом случае (кроме полного разрушения) формируется именно на первой стадии сушки, когда капиллярные силы приложены именно к внешней поверхности гранул.

Далее остановимся на формировании структуры ксерогеля в режиме медленной сушки, отвечающей условию _р/₁ 1. В этом случае механические напряжения, возникающие на границе испарения, передаются в объем зерна и приводят к постепенному уплотнению каркаса гидрогеля. В целом на стадии I в таком режиме сушки возможно самосогласованное перемещение фронта испарения и постепенно уплотняющегося приповерхностного слоя. Когда сопротивление каркаса превысит предельную величину капиллярного давления, фронт испарения прорывается в объем гидрогеля и начинается II стадия сушки, в ходе которой фронт действия капиллярных сил перемещается вместе с фронтом испарения в объеме зерна. На рис. 14.2 cтадии I соответствуют позиции а и в, на рисунке также cхематично показано изменение скорости сушки dW/dt, относительных размеров гранул L/L₀ (L₀ - начальный размер), равновесного давления пара Р/Р₀ и величины капилляр-ных сил F в ходе этой и последующих стадий. К концу стадии I величина F достигает максимальных значений, далее фронт испарения прорывается в объем и начинается стадия II.

В начале стадии II (позиция b на рисунке) зерно гидрогеля еще представляет один жидкостной домен с фрактальной внешней поверхностью, который постепенно дробится на все большее число доменов убывающего размера (позиции с и d). Капиллярные силы приложены к внешней поверхности таких доменов. Если действие этих сил на стадии I не привело к предельному уплотнению каркаса, то продолжающееся на стадии II уплотнение может приводить к изменению распределения пор по размерам. Для иллюстрации на рис. 14.4 показано распределение объема пор по характер-ным размерам для силикагелей, полученных при варьировании условий I и II стадии сушки [2, 9]. Эти результаты показывают, что II стадия сушки гидроге-лей может быть определяющей в формировании распределения пор по размерам.

На стадии сушки Ш завершается разрушение ионно-сольватных оболочек на поверхности первичных глобул с соответствующим принудительным образованием непосредственных контактов между ними, завершается осаждение всех растворенных компонентов. Одновременно на этой же стадии обычно достигается максимальная температура сушки. Совокупность этих факторов интенсифицирует действие механизма зарастания мест контактов, а поэтому влияет на величину удельной поверхности получаемого ксерогеля. Экспери-ментальные исследования [2] подтверждают, что именно на стадии III происходит основное снижение удельной поверхности A = А_г - А_кс , где А_г и А_кс - значения удельной поверхности гидро- и ксерогеля SiO₂, отнесенные к единице массы SiO₂.

В обычных условиях получения силикагелей по реакции NaSiO₂+ H₂SO₂ величина A определяется содержанием щелочи и температурой, а отмывка от щелочи и сушка при 20⁰С позволяют полностью сохранить поверхность гидрогеля [2, 9,10]. Действие щелочных примесей устраняется и при замене воды на жидкость с очень низкой растворимостью SiO₂, например, ацетон. Соответственно, влияние стадии промывки гидрогеля на текстурные характеристики ксерогеля в основном связаны с созданием интермицеллярной среды, в которой далее осуществляется сушка.

При прокалке возможно дополнительное снижение удельной поверх-ности и изменения пористости, определяемые рассмотренными ранее меха-низмами спекания ( см. раздел 12.3). Эти процессы ускоряются в при- сутствии щелочных примесей, влаги, с ростом поверхности и плотности упаковки глобул силикагеля и т.д.. Как показано в [11], эквивалентные количества (в г-экв.) лития, натрия, калия, рубидия и цезия приводят к практически одинаковому снижению поверхности аэросила (пропорциональному г-экв. введенной добавки), причем в щелочных формах этот эффект проявляется при температурах ниже 100⁰С, а при введении соответствующих солей - при температурах выше 400-450⁰С.

Отметим также, что действие капиллярных сил при сушке снижается при введении ПАВ и других компонентов, понижающих значения поверх-ностного натяжения жидкой фазы, это приводит к соответствующему росту пористости ксерогеля [1].

Вернемся к рис. 14.1. Итак, формирование поверхности начинается на стадии золя и завершается на III стадии сушки, а формирование пористости начинается на стадии образования гидрогеля и завершается на II cтадии сушки, с возможностью дальнейших изменений поверхности и пористости в условиях спекания. Но эта же схема в принципе иллюстрирует общие закономерности формирования текстуры носителей и катализаторов, получаемых золь-гель методом, где стадии образования золя и геля разделены во времени и пространстве. Такой метод, обеспечивающий широкие возможности направленного регулирования текстурных параметров в ходе синтеза, в последнее время начинает использоваться при синтезе многих носителей и катализаторов.

1.4 Формирование текстуры силикагелей, осаждаемых через коагели

Однако, осаждение многих систем проводится в режиме растянутого во времени введения реагентов без пространственно-временного разделения стадий образования пересыщенных растворов и этапов старения образующих-ся осадков. Эти процессы могут проводиться при изменяющихся или поддерживаемых постоянными значениях рН осаждения с периодическим или непрерывном отводом осадка из реактора. Так обычно получают осадки гидроксидов, оксидов и основных солей Al, Fe, Cr, Тi, Sn, Sb, многие би- и поликомпонентные системы [3]. В этих процессах много химической специфики, индивидуальной для разных систем и маскирующей более общие физико-химические механизмы.

Отличительные особенности физико-химических механизмов формиро-вания многих из таких систем могут быть сведены к

1) совмещению стадий осаждения,

2) низкой равновесной растворимости осадков в водных средах, характерной, например, для гидроксидов Cd, Cu, Fe, Al, Zn, Cr и др. систем ( С₀ порядка 10^-5 моль/л);

3) фазовыми трансформациями, обусловленными кристаллизацией,

4) специфическим механизмам ориентированной агрегации окристалли-зованных первичных частиц.

Рассмотрим влияние этих факторов, начав с роли совмещения стадий осаж-дения. Известно [ 3 ], что силикагели иногда получают в подобных совмещен-ных режимах путем взаимодействии силиката натрия с легко гидродроли-зующимися солями металлов ( FeCl₃ , CuSO₄ и др.), аммонийными солями сильных кислот и т.д. с образованием так называемых коагелей - смесей геля SiO₂ и осадка соли или гидрокисида. Осаждение коагеля может проводиться в периодическом или непрерывном режимах при постоянных или переменных значениях рН, с последующей отмывкой, механической обработкой, формов-кой и сушкой коагеля. Такая методика в значительной степени воспроизводит физические условия синтеза многих катализаторов методом осаждения и в то же время не осложнена фазовыми превращениями, что позволяет рассматри-вать ее в качестве удобной модельной системы.

При синтезе силикагелей через коагели образующиеся при гидролизе силиката низкомолекулярные формы Si0₂ (НМК) могут расходоваться на образование: новых глобул золя (1), рост ранее образовавшихся по механизму переконденсации (2) или на зарастание контактов между глобулами геля (3). Аналогично, новообразующиеся глобулы золя могут формировать новые агрегаты (4) или присоединяться к уже имеющимся (5). Расход НМК по каждому из указанных механизмов 1 3 определяется уравнениями типа

q_i = D_i S_i ( _i )/L_i (14.4)

где q_i - расход НМК в единицу времени, D_i - коэффициент диффузии, S_i - площадь сферы действия массообмена или массообменного домена ), L_i - средний путь диффузии, _i - разница химических потенциалов, опреде- ляющая движущую силу переноса по механизму i. Из проведенного в лекции 12 анализа механизмов переноса НМК следует, что

₃ >> ₂ >> ₁ (14.5)

Образование новых агрегатов также связано с преодолением некоторого активационного барьера, поэтому

₅ > ₄ (14.6)

В [12 14] исследованы силикагели, полученные через коагели в режиме сравнительно малоинтенсивного ( I ) и интенсивного ( II ) массооб-мена. В режиме I рН осаждения ~ 6, температура 303К, использована малая скорость перемешивания и большая скорость отвода коагеля из реактора. В режиме II осаждение проводили при рН ~7, способствующих росту раствори-мости С₀, при 345⁰К, большой скорости перемешивания и малой скорости отвода коагеля. В результате в режиме I получены рыхлые, но однородные гели, которые после отмывки и механического уплотнения дали силикагели с характеристиками, близкими обычным силикагелям, полученным золь-гель методом при умеренном старении золя и геля (А = 300-700 м²/г, V (пор) = 0.5 2.0 см³/г). Гели, полученные в режиме II, состоят из весьма прочных агрегатов разного размера, практически не разрушающихся при механичес-кой пластификации, а после сушки показывают разнороднопористую струк-туру с заметным объемом микропор, доступных для молекул воды и гораздо менее доступных для аргона, азота и ССl . В типичных примерах размер прочных агрегатов 10² 10³ нм, А_Н20 = 300 400 м²/г, А_Ar = 20 40 м²/г, А_CCL4 = 15 30 м²/г.

Особенности текстуры гелей, полученных в режиме I, можно объяс- нить локализацией массообменных процессов в малых доменах с размерами порядка размеров капель вводимых реагентов, в которых и проходят харак-терные для золь-гель метода последовательные стадии образования и старения золя и геля. В то же время условия интенсивного массообмена в режиме II приводят к возникновению квазистационарного процесса в объеме всего реактора, обусловленного соотношениями (14.5) и (14.6), приводящими к

q₃ > q₂ > q₁ и q₅ > q₆ (14.7)

В результате значительная часть НМК расходуется на зарастание контактов между глобулами ( q₃ ) в агрегатах, непрерывно образующихся по механизму необратимой коагуляции ( q₅ ), меньшая часть расходуется на рост глобул ( q₂ ) и еще меньшая - на зародышеобразование ( q₁ ) и рост глобул (q₄). Механизм возникновения аномальных для силикагелей ультрамикропор объяснен рыхлой случайной упаковкой интенсивно осаждающихся НМК -групп в геометрически ограниченном пространстве между глобулами в агрегатах. Таким образом, квазистационарный режим I cмещен в сторону локального, а режим II - глобального равновесия.

1.5 Особенности формирования осажденных кристаллизующихся систем

Аналогичное влияние условий массообмена на текстурные характерис-тики можно ожидать и для других осадков, получаемых подобным методом. Но при низкой растворимости кристаллизующихся осадков вместо процессов переконденсации и зарастания более существенную роль играют механизмы, связанные с фазовыми переходами и ориентированной агрегацией. Кратко рассмотрим эти механизмы.

Отличительная особенность кристаллизующихся систем - в анизотро- пии морфологии их частиц и анизотропии поверхности частиц, обусловленной свойствами разных граней. Кроме того, для достаточно крупных и мало-дефектных кристаллов характерна энергетическая однородность поверхности в пределах отдельных граней. Теория кристаллизации из насыщенных растворов обычно рассматривает механизмы роста, основанные на последова-тельном осаждении отдельных атомов, ионов или молекул на гранях (см. рис.12.7 в разделе 12.4). Но синтез многих высокодисперсных катализаторов и носителей проводится в условиях осаждения из сильно пересыщенных растворов.

В этих условиях одновременно образуется большое число высокодис-персных первичных частиц, которые при низкой скорости кристаллизации и больших пересыщениях сначала коагулируют как аморфные частицы в агрегаты неопределенной формы (рис.14.5). Такие частицы по составу обычно являются продуктами неполного гидролиза (основные соли) с захваченными компонентами раствора. При старении в пределах частиц продолжаются процессы гидролиза, дегидратации и др. типы взаимодействия. Интенсив-ность этих вторичных процессов зависит от температуры, состава и рН среды; в конечном итоге они приводят к формированию более определенного состава, а в случае кристаллизующихся систем - и более регулярной струк-туры частиц. Избыточные компоненты уходят в раствор, недостающие прихо-дят из раствора. Реконструкция частиц в результате этих фазовых превраще-ний сопровождается уменьшением их объема, расчетные значения параметра Пиллинга-Бедворта достигают ~ 0.1 0.2, в результате исходные аморфные агрегаты разрушаются до первичных частиц, но уже частично окристал-лизованных, которые далее самопроизвольно объединяются (реагрегируются), но уже в анизотропные агрегаты из ориентированных частиц (см. раздел 11.6). Все эти процессы происходят при активном участии раствора как в массообмене на поверхности и в объеме частиц, так и в качестве среды, необходимой для миграции частиц.

Если дальнейшее старение осадка сопровождается дополнительными фазовыми переходами, то возможно редиспергирование (самопроизвольная пептизация) и последующая реагрегация. Так, например,окристаллизованный осадок Cu(OH)₂ агрегируется в нитевидные структуры, старение в растворе сопровождается переходом в оксид с диспергированием до первичных частиц и реагрегацией в соматоиды веретенообразной формы [15]. Основная причина ориентированной агрегации - анизотропия формы и поверхности окристал-лизованных частиц, которая приводит к поляризации оболочек из ионов и молекул в слое Гельмгольца, переводя анизотропную частицу в макродиполь. Интенсивность взаимодействия таких макродиполей усиливается при их параллельной ориентации и максимальна при соосном расположении макро-диполей [16]. Онзагер [17] объяснил механизм ориентированной агрегации и в отсутствии взаимодействия анизотропных частиц чисто энтропийным эффек-том (см. также в [18] ). Он выделил два энтропийных вклада в свободную энергию системы. Первый обусловлен распределением ориентаций частиц и увеличивается при произвольной их ориентации. Второй связан с упаковкой и возрастает при ориентированной упаковке, которая обеспечивает максималь-ную свободу для малых локальных смещений индивидуальных частиц (подра-зумевается агрегация частиц, которые еще не связаны жестко). Второй эффект легко демонстрируется попытками уложить спички в коробку доста-точно больших размеров, где они самопроизвольно ориентируются параллель-но, образуя множество вариантов. Но, например, их взаимоперпендикуляр-ная укладка резко сокращает число вартиантов. Оба вклада пропорциональ-ны концентрации частиц N в виде Nⁿ, где n = 1.0 в первом и n 2.0 во втором случае. Поэтому при N 1.0 определяющим является эффект разори-ентации, а при достаточно больших N доминирует эффект ориентированной агрегации, которая естественно сохраняется и после образования жестких связей между частицами в агрегатах. В результате морфология агрегатов из анизотропных кристаллизующихся частиц определяется формой этих частиц.

В свою очередь, размеры и степень анизотропии образующихся агрегатов предопределяют нижний предел возможных изменений пористости высушенного осадка, а также интенсивность действия капилярных сил при сушке, зависящую от размера менисков жидкой фазы, образующихся между агрегатами. Верхний предел возможных изменений пористости определяется попрежнему влажностью осадка. В итоге увеличение размера и степени анизотропии агрегатов, как и увеличение влажности осадка способствуют росту пористости высушенного продукта. Последующие стадии формирования текстуры при сушке и прокалке в принципе аналогичны рассмотренным для силикагелей, но могут осложняться дополнительными фазовыми трансфор-мациями, рассмотренными в разделе 11.6.

Такая методология используется при синтезе оксидных систем на основе алюминия, титана, циркония, железа и т.д. и описывается общей схемой [3,19], показанной на рис

Рис. Принципиальная схема получения осажденных катализаторов (по [3,19]).

Cтадию 2 обычно проводят в режиме золь-гель технологии или в режиме периодического или непрерывного осаждения через коагель. В последних случаях неизбежно проявляются проблемы локальных и глобальных квази-равновесий, рассмотренные ранее. Формовка проводится на стадии 4 или после стадии 5. На стадии 3 возможна дополнительная модификация системы путем введения компонентов-модификаторов (например, ПАВ для снижения действиях капиллярных сил при сушке и т.д.). Если активные компоненты вводятся после стадии 5, то эта же схема соответствует полу-чению нанесенных катализаторов. По той же принципиальной схеме полу-чают и многие многокомпонентные соосажденные катализаторы и носители.

1.6 Особенности формирования соосажденных систем

Термин соосаждение по номенклатуре IUPAC трактуется как совместное осаждение хорошо растворимого компонента с компонентом-осадителем из того же раствора за счет их химического взаимодействия, образования сме-шанных фаз, адсорбции. окклюзии , механического захвата и т.д. [19]. В результате этот хорошо растворимый компонент выводится в осадок при концентрациях, которые могут быть ниже соответствующих его обычному осаждению. Но чаще термин соосаждение используется в более общем случае одновременного осаждения более чем одного компонента, причем соосажда-емые компоненты могут отличаться или не отличаться по растворимости. Этот метод применяется, например, при получении таких широко распростра-ненных катализаторов, как Ni/Al₂0₃, Cu/ Al₂0₃, Cu/ZnO, смешанных оксидов Sn и Sb и т.д..

Метод соосаждения часто используется для получения гомогенного распределения компонентов катализатора или создания его предшественников с заданной стехиометрией, которые далее трансформируются в активный катализатор. Но в этих случаях стадия 2 на рис.14.6 осложняется много-компонентностью раствора. В наиболее распространенном режиме периодичес-кого осаждения дополнительно появляются проблемы, связанные с измене-нием концентрации компонентов в растворе, обусловленные их выводом из раствора в результате осаждения.

Тем не менее, и в этой сложной задаче можно выделить ряд общих физико-химических механизмов и процессов. Так, по [19] при осаждении многих типичных систем скорость гомогенного зародышеобразования описы-вается уравнением типа

J = exp ( -B/ln² S) (14.7)

константы которого идентичны приведенным в уравнениях (11.11) и (11.12) из раздела 11.3 с подстановкой B = G_КР и = RT lnS_КР, где S_КР - критическое пересыщение. Из этого уравнения следует, что в периодическом режиме осаждения зародышеобразование возможно только при пересыщении S > S_КР. По мере снижения пересыщения образование новых частиц прекра-щается и возможен только рост уже существующих и массообмен между ними по механизмам переконденсации и срастания. По [20] при обычных пересы-щениях S 10⁴ образуется не более 10¹⁶ центров/см³ материнской фазы, и при минимальном радиусе таких зародышей 1 нм они содержат не только ничтожно малую часть потенциально осаждаемого компонента, но и способны адсорбировать ничтожно малую часть примесей, потенциально способных адсорбироваться . Поэтому решающее влияние на кинетику осаждения и состав образующейся фазы оказывает рост уже образовавшихся зародышей.

Для удобства обсуждения процессов, происходящих в режиме периоди-ческого осаждения, выделим несколько характерных стадий: стадию I, соот-ветствующую индукционному периоду, стадию II интенсивного образования зародышей и стадию III массообмена в условиях S < S_КР. На стадии III гомогенное зародышеобразование практически прекращается, но продолжа-ются процессы, характерные для гетерогенного зародышеобразования. Последние идентичны процессам осаждения в системах, где оно стимулиру-ется введением “затравки” или “зародышей” в виде золя, высокодисперсного порошка и т.д..

Распространенный пример гетерогенного осаждения - получение Al(OH)₃ методом Байера. Этот метод, впервые запатентованный в 1887 году, предус-матривает введение затравки в виде Al(OH)₃ для более полного извлечения гидроксидов алюминия из щелочных алюминатных растворов. Скорость осаждения в таких ситуациях по [19] пропорциональная поверхности затрав-ки и (С - С_р), где С - текущая, а С_р - равновесная концентрация Al₂0₃ в растворе. Полезно отметить, что введение затравки во многих системах, способных осаждаться в виде нескольких фаз, способствует селективному осаждению фазы, когерентной затравке.

Итак, на стадии III происходит рост и срастание частиц, а также захват примесей, адсорбирующихся на поверхности частиц. Продолжающееся осаж-дение основных компонентов, а также срастание частиц и их групп приводит к блокировке примесей в объеме частиц. В целом стадию III можно отож-дествить с начальным этапом “старения” осадка в маточном растворе (стадия 3 на рис.14.6). Здесь происходят обменные взаимодействия как в объеме, так и на поверхности частиц с постепенным накоплением термодинамически наиболее стабильных квазиравновесных конфигураций. Исходные гидратиро-ванные и другие аморфные формы основного компонента могут трансформи-роваться в более упорядоченные кристаллические формы, что может сопро-вождаться процессами дезагрегации и реагрегации. Соосаждение может приводить к образованию одной или нескольких фаз, химических соединений, твердых растворов и т.д., а стадия III и старение могут сопровождаться сегрегацией инородных фаз, локализацией примесей у дефектов в объеме или только на поверхности частиц. При этом компоненты или примеси, близкие по химическим свойствам, изоструктурные (когерентные) и имеющие близкие кристаллические решетки, могут смешиваться неограниченно, а сильно инородные распадаются на частицы отдельных фаз, которые далее могут смешиваться или не смешиваться на уровне агрегатов. Принципиальные тенденции в поведении различных многокомпонентых систем во многом определяются простыми соотношениями когезии и адгезии, рассмотренными в разделе 7.2.

При значительном различии растворимости осаждаемых компонентов возможно их последовательное осаждение, где наименее растворимые высту-пают в роли зародышеобразователя, что приводит к концентрационным градиентам состава по радиусу первичных частиц. Этот эффект может нивелироваться сильной адсорбцией или окклюзией более растворимых компонентов. Гетерогенность состава частиц снижается при существенном повышении степени исходного пересыщения, а также при химическом взаи-модействии компонентов. В свою очередь, пересыщение можно регулировать, например, в режимах так называемого гомогенного осаждения. Наиболее распространенный пример такого осаждения основан на использовании моче-вины [21], которая в водных растворах инертна при Т<330K, а при повышении температуры гидролизуется по реакциям

СО(NH₂)₂ NH₄⁺ + CNO^-

CNO ^- + 3H₂O® NH₄⁺ + 2 OH^- + CO₂

Эти реакции, обеспечивающие создание щелочной среды и осаждение многих компонентов, можно осуществлять путем регулируемого нагревания раствора после полного смешения исходных реагентов. Но при осаждении Ni^II и Co^II наличие NH₃ может приводить к нежелательному образованию хорошо растворимых аммонийных комплексов. Поэтому здесь в качестве “гомогенного осадителя” можно использовать нитрит натрия, гидролизующийся по реакции

3 NO₂^- + H₂ O ® 2NO + NO₃^- + 2 OH^-

где в присутствии кислорода воздуха NO разлагается по реакции

2NO + O₂ ® + 2NO₂ ^-

(2/3) (3NO₂ + H₂O ® NO + 2 NO₃^- + 2 H⁺)

Примером химического взаимодействия является образование соединений Ni c SiO₂ при соосаждении соответствующих реагентов.

Учет всех этих эффектов и возможностей наряду с чисто химической реакционной спецификой и рассмотренными физико-химическими механизмами, включая механизмы процессов при сушке и спекании, позволяет направленно регулировать как состав, так и текстуру соосажденных продуктов, объяснять наблюдаемые зависимости текстурных характеристик от состава компонентов и условий осаждения и т.д.. Богатый фактический материал по эти проблемам приведен, например, в [3,4,19,20,21].

Литература

1. Р.Айлер, Химия кремнезема, М., Мир, 1982.

2. В.Б.Фенелонов, Д.В.Тарасова. В.Ю.Гаврилов, Изв. СО АН, сер. хим., вып.4, 116 (1978).

3. В.А.Дзисько, Основы методов приготовления катализаторов, Новоси-бирск, Наука, 1983.

4. К.Оккерсе, в сб. Строение и свойства адсорбентов и катализаторов, М., Мир, 1973, с.233.

5. D.Dollimore and G.R.Hill, J.Appl.Chem.,London, 12,445 (1962).

6. Д.В.Тарасова, В.Б.Фенелонов, В.А.Дзисько, В.Ю.Гаврилов, А.У.Хуто-рянская, Колл. ж., 39,207 (1977).

7. G.A.Sherer, J.Non.Cryst.Solids, 34,239 (1979); 89,217 (1987); 91,83,101 (1987); 92,122 (1987); 99,324 (1988); 107,135 (1989); 109,171 (1989).

8. Е.Е.Бибик, Реология коллоидных систем, Ленинград, изд. ЛГУ,1981.

9. В.Б.Фенелонов, Д.В.Тарасова, В.Ю.Гаврилов, Кинетика и катализ, 28,480 (1977).

10. В.Ю.Гаврилов, А.П.Карнаухов, В.Б.Фенелонов, Кинетика и катализ, 29, 1549 (1978).

11. О.В.Бажан, В.Б.Фенелонов, Д.В.Тарасова, Г.Н.Кустова, Колл. ж., 41, 1043 (1979)..

12. Л.Г.Симонова, В.Б.Фенелонов, В.А.Дзисько, Г.Н.Крюкова, В.П. Шмачкова, Кинетика и катализ, 23, 138 (1982).

13. В.Б.Фенелонов, Л.Г.Симонова, В.А.Дзисько, Кинетика и катализ, 23, 444 (1982).

14. Л.Г.Симонова, Е.Л.Михайленко, В.Б.Фенелонов, ж. Прикладной химии, 69, 1808 (1996).

15. Д.В.Тарасова, Л.Т.Цикоза, В.Б.Фенелонов, Колл. ж., 41,947 (1979).

16. Я.И.Френкель, Кинетическая теория жидкостей, Ленинград, Наука, 1975.

17.L.Onzager, Ann.N.Y.Acad.Sci., 51,627 (1949).

18. W.M.Gelbert and A.Ben-Shaul, J.Phys.Chem., 100,13169 (1996).

19. F.Schьth and K.Unger, in Handbook of Heterogeneous Catalysis, Weinheim, Wiley, v.1, p.72, 1997.

20.И.В.Мелихов и М.С.Меркулова, Сокристаллизация, М., Химия, 1975.

21.J.W.Geus and A.J.van Dillen, in Handbook of Heterogeneous Catalysis, Weinheim, Wiley, v.1, p.240, 1997.

Размещено на Allbest.ru