Разработка плазмодинамического метода синтеза ультрадисперсного диоксида титана TiO2, обладающего фотокаталическими свойствами получения водорода

Работа посвящена развитию плазмодинамического метода синтеза дисперсного диоксида титана с предварительной сепарацией по размерам частиц.

Введение ………………………………………………………………………………………………. 13
Глава 1. Литературный обзор …………………………………………………………………. 15
1.1 Структура и физико-химические свойства диоксида титана ………………… 15
1.2 Термодинамические свойства TiO2 ……………………………………………………. 17
1.3 Фотокаталитические свойства …………………………………………………………… 20
1.4 Методы получения TiO2 ……………………………………………………………………. 21
1.4.1 Микроволновый синтез ……………………………………………………………….. 21
1.4.2 Сонохимический метод синтеза …………………………………………………… 22
1.4.3 Гидротермальный метод синтеза ………………………………………………….. 23
1.4.4 Метод Золь – Гель ………………………………………………………………………. 24
1.4.5 Мицеллярный метод ……………………………………………………………………. 26
1.4.6 Плазмодинамический метод ………………………………………………………… 29
1.5 Применение диоксида титана ……………………………………………………………. 30
1.5.1 Применение TiO2 – наночастиц в каталитических процессах …………. 31
1.6 Заключение по литературному обзору ……………………………………………….. 35
Глава 2. Методика проведения исследований ………………………………………….. 37
2.1 Лабораторная установка …………………………………………………………………… 37
2.2 Коаксиальный магнитоплазменный ускоритель, устройство и принцип
действия ……………………………………………………………………………………………….. 37
2.3 Экспериментальный стенд ………………………………………………………………… 42
2.4 Вспомогательная аппаратура …………………………………………………………….. 45
2.5 Процесс протекания плазмодинамического синтеза ……………………………. 47
2.6 Методы исследования полученного продукта …………………………………….. 49
Глава 3. Исследование работы плазмодинамической системы………………51
3.1 Плазмодинамический синтез оксидов титана ……………………………………… 51
3.2 Предварительная сепарация продукта ……………………………………………….. 55
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение … 76
4.1 Оценка перспективности НТИ…………………………………………………………… 76
4.2 Планирование НТИ ………………………………………………………………………….. 81
4.3 Расчет бюджета НТИ ……………………………………………………………………….. 85
4.3.1 Расчет материальных затрат ………………………………………………………… 85
4.3.2 Расчет заработной платы ……………………………………………………………… 86
4.3.3 Отчисления во внебюджетные фонды…………………………………………… 86
4.3.4 Амортизационные отчисления …………………………………………………….. 87
4.3.5 Накладные расходы …………………………………………………………………….. 88
4.4 Анализ и оценка уровня НТИ ……………………………………………………………. 89
5 Социальная ответственность ……………………………………………………………….. 93
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ……… 93
5.2 Производственная безопасность ……………………………………………………….. 94
5.3 Экологическая безопасность …………………………………………………………… 105
5.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях …………………………………………. 106
Заключение …………………………………………………………………………………………. 109
Приложение А …………………………………………………………………………………….. 111
Приложение Б ……………………………………………………………………………………… 113
Список литературы ……………………………………………………………………………… 130

1.Simons, P.Y. The structure of TiO2 II, a high-pressure phase of TiO2 /
Y.P. Simons,F. Dachille // Acta Crystallographica. – 1967. – V.23. – P.334-336
2.Mo, S. Electronic and optical properties of three phases of titanium
dioxide: rutile, anatase and brookite / S. Mo, W. Ching // Physical Review B. – 1995.
-V. 51, №19. -P. 13023-13032.
3.Hengzholg, Z. Thermodynamic analysis of phase stability of
nanocrystalline titania /Z. Hengzholg, J. F. Banfield // Journal of Material
Chemistry. – 1998. -V.8, №9. -P. 2073-2076.
4.Васильева, К.Л. Изучение фазовых превращений в поверхностном
слое диоксида титана / К.Л Васильева, О.М. Ищенко, Н.В. Захарова и др. //
Журнал прикладной химии. – 2009. -Т. 82, №5. -С. 731-736.
5.Zhang,H.Thermodynamicanalysisofphasestabilityof
nanocrystalline titania / H. Zhang, J. F. Banfield // J. Mater. Chem. – 1998. – V. 8,
N. 9. – P. 2073-2076.
6.Hwu, Y. X-ray absorption of nanocrystal TiO2 / Y. Hwu, Y. D. Yao, N.
F. Cheng, C. Y. Tung, H. M. Lin // Nanostruct. Mater. – 1997. – V. 9, N. 1-8. – P.
355-358.
7.Ye, X. Thermoanalytical characteristic of nanocrystalline brookite-
based titanium dioxide / X. Ye, J. Sha, Z. Jiao, L. Zhang // Nanostruct. Mater. –
1997. – V. 8, N. 7. – P. 919-927
8.Kominami, H. Synthesis of brookite-type titanium oxide nano-crystals
in organic media / H. Kominami, M. Kohno, Y. Kera // J. Mater. Chem. – 2000. –
V. 10. – P. 1151 -1156.
9.Zhang, H. Understanding Polymorphic Phase Transformation Behavior
during Growth of Nanocrystalline Aggregates: Insights from TiO2 / H. Zhang, J. F.
Banfield // J. Phys. Chem. B. – 2000. – V. 104, N. 15. – P. 3481-3487.
10.Kim, D.H. Effect of ultrasonic treatment and temperature on
nanocrystalline TiO2 / D.H. Kim, H.W. Ryu, J.H. Moon, J. Kim // J. Power Sources.
2006. – V. 163, N. 1. – P. 196-200
11.Fujishima, A. Electrochemical photolysis of water at a semiconductor
electrode / A. Fujishima, K. Honda //Nature. – 1972. – V. 238. – P. 37-38.
12.Zhu, J. Nanostructured materials for photocatalytic hydrogen
production// J.Zhu, M. Zach / Current opinion in colloid interface science. – 2009. –
V. 14. -P. 260-269
13.Jeon, M.-K. Hydrogen production from methanol/water decomposition
in a liquidphotosystem using the anatase and rutile forms of Cu-TiO2 / M.-K. Jeon,
J.-W. Park, M. Kang //Journal of Indu strial and Engineering Chemistry. – 2007. –
V. 13, № 1. – P. 84-91
14.Jing, D. Efficient solar hydrogen production by photocatalytic water
splitting: from fundamental study to pilot demonstration / D. Jing, L. Guo, L. Zhang
// International Journal of Hydrogen Energy. – 2010. – № 35. – P. 7087-7097.
15.Шапорев, А.С. Быстрый микроволновый синтез оксида цинка в
солевых матрицах /A.С. Шапорев, В.В. Закоржевский, О.С. Полежаева и др. //
Альтернативная энергетика и экология. – 2007. – №1. – С. 44-47.
16.Каримов, О.Х. Применение СВЧ-излучения при приготовлении
металлоксидных катализаторов / О.Х. Каримов, Р.Р. Даминев, Л.З. Касьянова
// Технические науки. – 2013. – №4. – С. 801-805.
17.Николаенко, И.В. Получение ультра и нанодисперсного оксида
титана микроволновым нагревом его гидроксида / И.В. Николаенко, Г.П.
Швейкин//МатериалыВторойВсероссийскойконференциипо
наноматериалам “Нано 2007″, Россия. – Новосибирск, 2007. – С. 69
18.Свиридов,Д.В.Фотохимический,сольвотермическийи
сонохимический синтез нано- и мезо структурных материалов / Д.В.Свиридов
// Вестник БГУ. – 2011. – №3. -С. 12-15
19.Perkas, N. Sonochemically prepared high dispersed Ru/TiO2
mesoporous catalyst for partial oxidation of methane to syngas / N.Perkas, Z. Zhong,
L. Chen at al. // Catalysis Letters. – 2005. – V. 109. – P. 9-14
20.Kasap, S. Preparation of TiO2 nanoparticles by sonochemical method
isotherm, thermodynamic and kinetic studies on the sorption of strontium / S. Kasap,
H. Tel, S. Piskin // Journal of Radianalytical and Nuclear Chemistry. – 2011. – V.
289. – P. 489-495
21.Cheng, H. Hydrothermal preparation of uniform nanosize rutile and
anatase particles / H. Cheng, J. Ma, Z. Zhao et al. // Chemistry of Materials. -1995.
– V.7. – P. 663-671.
22.Yin, H. Hydrothermal synthesis of nanosized anatase and rutile TiO2
using amorphous phase TiO2 / H. Yin, Y. Wada, T. Kitamura // Journal of Material
Chemistry. – 2001. – V. 11.- P. 1694-1703.
23.Шабанова, Н.А. Основы золь-гель технологии нанодисперсного
кремнезема / Н.А.Шабанова, П.Д.Саркисов.-М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. –
208 с.
24.Kamal, M.S. Synthesis and characterization of catalytic titanias via
hydrolysis of titanium (IV) isopropoxide / M.S. Kamal, T. Baird, M.I. Zaki et al. //
Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. – 1998. –
V.132. – P. 31-44.
25.Bessekhouad, Y. Synthesis of photocatalytic TiO2 optimization of the
preparation conditions / Y. Bessekhouad, D. Robert, J. V. Weber // J. Photochem.
Photobiol. A – 2003. – V. 157, N.1. – P. 47-53.
26.Oskam, G. The Growth Kinetics of TiO2 Nanoparticles from
Titanium(IV) Alkoxide at High Water/Titanium Ratio / G. Oskam, A. Nellore, R. L.
Penn, P. C. Searson // J. Phys. Chem. B. – 2003. – V. 107, N. 8. – P. 1734-1738.
27.Sugimoto, T. Preparation of monodispersed colloidal particles / T.
Sugimoto // AdV. Colloid Interface Sci. – 1987. – V. 28. – P. 65-108
28.Anderson, M. A. Titania and alumina ceramic membranes / M. A.
Anderson, M. J. Gieselmann, Q. Xu // J. Membr. Sci. – 1988. – V. 39, N. 3. – P.
243-258.
29.Barringer E. A. High-purity, monodisperse TiO2 powders by hydrolysis
of titanium tetratethoxide. 2. Aqueous interfacial electrochemistry and dispersion
stability / E. A. Barringer, H. K. Bowen // Langmuir – 1985. – V. 1, N. 4. – P. 420-
428.
30.Vorkapic, D. Reversible Agglomeration: A Kinetic Model for the
Peptization of Titania Nanocolloids / D. Vorkapic, T. Matsoukas // J. Colloid
Interface Sci. – 1999. – V. 214, N.2. – P. 283- 291.
31.Peng, T. Synthesis of titanium dioxide nanoparticles with mesoporous
anatase wall and high photocatalytic activity / T. Peng, D. Zhao, K. Dai et al. //
Journal of Physical Chemistry B. – 2005. – V. 109. – № 11. – P. 4947-4952
32.Oskam, G. The Growth Kinetics of TiO2 Nanoparticles from
Titanium(IV) Alkoxide at High Water/Titanium Ratio / G. Oskam, A. Nellore, R. L.
Penn, P. C. Searson // J. Phys. Chem. B. – 2003. – V. 107, N. 8. – P. 1734-1738.
33.Chemseddine A., Moritz T. Nanostructuring titania: control over
nanocrystal structure, size, shape, and organization // Eur. J. Inorg. Chem. – 1999. –
V. 1999, N.2. – 235-245.
34.Sugimoto, T. Preparation of monodispersed colloidal particles / T.
Sugimoto // AdV. Colloid Interface Sci. – 1987. – V. 28. – P. 65-108
35.Sugimoto, T. Synthesis of uniform anatase TiO2 nanoparticles by gel–
sol method: 4. Shape control / T. Sugimoto, X. Zhou, A. Muramatsu // J. Colloid
Interface Sci. – 2003. – V. 259, N. 1. – P. 53-61.
36.Chemseddine A., Moritz T. Nanostructuring titania: control over
nanocrystal structure, size, shape, and organization // Eur. J. Inorg. Chem. – 1999. –
V. 1999, N.2. – 235-245.
37.Zhang,H.Thermodynamicanalysisofphasestabilityof
nanocrystalline titania / H. Zhang, J. F. Banfield // J. Mater. Chem. – 1998. – V. 8,
N. 9. – P. 2073-2076.
38.Zhang, H. Preparing Single-Phase Nanocrystalline Anatase from
Amorphous Titania with Particle Sizes Tailored by Temperature / H. Zhang, M.
Finnegan, J. F. Banfield // Nano Lett. – 2001. – V. 1, N. 2. – P. 81-85.
39.Znaidi, L. A semi-continuous process for the synthesis of nanosize TiO2
powders and their use as photocatalysts / L. Znaidi, R. Seraphimova, J. F. Bocquet,
C. Colbeau-Justin, C. Pommier // Mater. Res. Bull. – 2001. – V. 36, N. 5-6. – P. 811-
825.
40.Anderson, M. A. Titania and alumina ceramic membranes / M. A.
Anderson, M. J. Gieselmann, Q. Xu // J. Membr. Sci. – 1988. – V. 39, N. 3. – P.
243-258.
41.Barringer E. A. High-purity, monodisperse TiO2 powders by hydrolysis
of titanium tetratethoxide. 2. Aqueous interfacial electrochemistry and dispersion
stability / E. A. Barringer, H. K. Bowen // Langmuir – 1985. – V. 1, N. 4. – P. 420-
428.
42.Vorkapic, D. Reversible Agglomeration: A Kinetic Model for the
Peptization of Titania Nanocolloids / D. Vorkapic, T. Matsoukas // J. Colloid
Interface Sci. – 1999. – V. 214, N.2. – P. 283- 291.
43.Kim, K. D. Applying the Taguchi method to the optimization for the
synthesis of TiO2 nanoparticles by hydrolysis of TEOT in micelles / K. D. Kim, S.
H.Kim,H.T.Kim//ColloidsSurf.A
– 2005. – V. 254, N. 1-3. – P. 99-105.
44.Li, G. L. Synthesis of nanometer-sized TiO2 particles by a
microemulsion method / G. L. Li, G. H. Wang // Nanostruct. Mater. – 1999. – V. 11,
N. 5. – P. 663-668.
45.Lim, K. T. Synthesis of TiO2 Nanoparticles Utilizing Hydrated Reverse
Micelles in CO2 / K. T. Lim, H. S. Hwang, W. Ryoo, K. P. Johnston // Langmuir –
2004. – V. 20, N.6. – P. 2466-2471.
46.Lin, J. Hot-Fluid Annealing for Crystalline Titanium Dioxide
Nanoparticles in Stable Suspension / J. Lin, Y. Lin, P. Liu, M. J. Meziani, L. F.
Allard, Y. P. Sun // J. Am. Chem. Soc. – 2002. – V. 124, N. 38. – P. 11514-11518.
47.Zhang, D. Formation of crystalline nanosized titania in reverse micelles
at room temperature / D. Zhang, L. Qi, J. Ma, H. Cheng // J. Mater. Chem. – 2002.
– V. 12. – P. 3677-3680.
48.Cozzoli, P. D. Photocatalytic activity of organic-capped anatase TiO2
nanocrystals in homogeneous organic solutions / P. D. Cozzoli, R. Comparelli, E.
Fanizza, M. L. Curri, A. Agostiano // Mater. Sci. Eng. C. – 2003. – V. 23, N. 6-8. –
P. 707-713.
49.Blake, D. M. Application of the Photocatalytic Chemistry of Titanium
Dioxide to Disinfection and the Killing of Cancer Cells / D. M. Blake, P. C. Maness,
Z. Huang, E. J. Wolfrum, J. Huang, W. A. Jacoby // Sep. Purif. Methods. – 1999. –
V. 28, N. 1. – P. 1-50.
50.Li, L. Photocatalytic ozonation of dibutyl phthalate over TiO 2 film / L.
Li, W. Zhu, L. Chen, P. Zhang, Z. J. Chen // Photochem. Photobiol. A. – 2005. – V.
175, N. 2-3. – P. 172-177.
51.Bozzi, A. Self-cleaning of wool-polyamide and polyester textiles by
TiO2-rutile modification under daylight irradiation at ambient temperature / A.
Bozzi, T. Yuranova, J. Kiwi // J. Photochem. Photobiol. A. – 2005. – V. 172, N. 1.
– P. 27-34.
52.Ohko, Y. Photoelectrochemical Anticorrosion and Self-Cleaning
Effects of a TiO2 Coating for Type 304 Stainless Steel / Y. Ohko, S. Saitoh,
T.Tatsuma, A. Fujishima // J. Electrochem. Soc. – 2001. – V. 148, N. 1. – P. B24-
B28.
53.Zhang, X. T. Self-Cleaning Particle Coating with Antireflection
Properties / X. T. Zhang, O. Sato, M. Taguchi, Y. Einaga, T. Murakami, A.
Fujishima // Chem. Mater. – 2005. – V. 17, N. 3. – P. 696-700.
54.Meng, S. Tuning Solid Surfaces from Hydrophobic to Superhydrophilic
by Submonolayer Surface Modification / S. Meng, Z. Y. Zhang, E. Kaxiras // Phys.
ReV. Lett. – 2006. – V. 97. – P. 036107-4.
55.Gu, Z. Z. Patterning of a Colloidal Crystal Film on a Modified
Hydrophilic and Hydrophobic Surface / Z. Z. Gu, A. Fujishima, O. Sato // Angew.
Chem. Int. Ed. – 2002. – V. 41, N. 12. – P. 2067- 2070.
56.Takata, Y. Boiling and Evaporation from a Superhydrophilic Surface /
Y. Takata, S. Hidaka, J. M. Cao, K. Tanaka, M. Masuda, T. Ito, T. Watanabe, M.
Shimohigoshi // Therm. Sci. Eng. – 2000. – V. 8, N. 6. – P. 33-43.
57.Feng, X. The Fabrication and Switchable Superhydrophobicity of TiO2
Nanorod Films / X. Feng, J. Zhai, L. Jiang // Angew. Chem. Int. Ed. – 2005. – V.
44, N. 32. – P. 5115-5118
58.Thurnauer, M.C. Surface Modification of TiO2: Correlation between
Structure, Charge Separation and Reduction Properties / M.C. Thurnauer, L.M.
Tiede, T. Rajh // Acta Chem. Scandinavica. – 1997. – V. 51. – P. 610-618
59.Thurnauer, M.C. Surface Modification of TiO2: Correlation between
Structure, Charge Separation and Reduction Properties / M.C. Thurnauer, L.M.
Tiede, T. Rajh // Acta Chem. Scandinavica. – 1997. – V. 51. – P. 610-618.
60.Chen, H.-J. Chelation and solvent effect on the preparation of titania
colloids / H.-J. Chen, L. Wang, W.-Y. Chiu // Materials Chemistry and Physics. –
2007. – V. 101. № 1. – P. 12-19.
61.Yang, P. Block Copolymer Templating Syntheses of Mesoporous Metal
Oxides with Large Ordering Lengths and Semicrystalline Framework / P. Yang, D.
Zhao, D. I. Margolese, B. F. Chmelka, G. D. Stucky // Chem. Mater. – 1999. – V.
11, N. 10. – P. 2813-2826.
62.Gratzel, M. Conversion of sunlight to electric power by nanocrystalline
dye-sensitized solar cells / M. Gratzel // J. Photochem. Photobiol. A. – 2004. – V.
164, N. 1-3. – P. 3-14.
63.Mor, G. K. Enhanced Photocleavage of Water Using Titania Nanotube
Arrays / G. K. Mor, K. Shankar, M. Paulose, O. K. Varghese, C.A. Grimes // Nano
Lett. – 2005. – V. 5, N. 1. – V. 191-195.
64.Khan, S. U. M. Efficient photochemical water splitting by a chemically
modified n-TiO2 / S. U. M. Khan, M. Al-Shahry, W. B. Jr. Ingler // Science. – 2002.
– V. 297, N. 5590. – P. 2243-2245.
65.Matsumoto, Y. Electrochemical approach to evaluate the mechanism of
photocatalytic water splitting on oxide photocatalysts / Y. Matsumoto, U. Unal, N.
Tanaka, A. Kudo, H. Kato // J. Solid State Chem. – 2004. – V. 177, N. 11. – P. 4205-
4212.
66.Kawahara,K.Electrontransportinsilver-semiconductor
nanocomposite films exhibiting multicolor photochromism / K. Kawahara, K.
Suzuki, Y. Ohko, T. Tatsuma // Phys. Chem. Chem. Phys. – 2005. – V. 7, N. 7. – P.
3851-3855.
67.He, T. Comparison between the effects of TiO 2 synthesized by
photoassisted and conventional sol–gel methods on the photochromism of WO3
colloids / T. He, Y. Ma, Y. Cao, H. Liu, W. Yang, J. Yao // J. Colloid Interface Sci.
– 2004. – V. 279, N. 1. – P. 117-123.
68.Feng, Y. Research progress of low-temperature SCS DeNOx catalysts
/ Y. Feng, Sh. Liu, Ch. Chen, H. Zhao, Y. Xu // Appl/ Mechanics and Materials –
2013. – V. 320. – P. 629-638.
69.Приказ №5994 от 25.05.2016. Должностные оклады профессорско-
преподавательского состава, ТПУ.
70.Трудовой кодекс Российской Федерации от 30.12.2001 N 197-ФЗ
(ред. от 27.12.2018)
71.ИНСТРУКЦИЯ по охране труда при проведении работ на
установке плазмодинамического синтеза на базе КМПУ с электропитанием от
емкостного накопителя энергии.
72.ГОСТ 12.0.003-2015 ССБТ. Опасные и вредные производственные
факторы. Классификация.
73.СП 52.13330.2016 Естественное и искусственное освещение.
Актуализированная редакция СНиП 23-05-95*
74.ГОСТ Р 55710-2013. Освещение рабочих мест внутри зданий.
Нормы и методы измерения.
75.ГОСТ12.1.003-2014ССБТ.Шум.Общиетребования
безопасности.
76.ГОСТ 12.1.036-81 ССБТ. Шум. Допустимые уровни в жилых и
общественных помещениях.
77.ГОСТ 12.1.012-2004 Система стандартов безопасности труда
(ССБТ). Вибрационная безопасность. Общие требования
78.ГОСТ 12.4.011-89 Система стандартов безопасности труда
(ССБТ). Средства защиты работающих. Общие требования и классификация
79.ГОСТ12.1.005-88ССБТ.Общиесанитарно-гигиенические
требования к воздуху рабочей зоны.
80.СНиП 2.04.05-86. Строительные нормы и правила. Отопление,
вентиляция и кондиционирование.
81.СанПиН 2.2.4.548-96 «Гигиенические требования к микроклимату
производственных помещений»
82.ГОСТ12.1.005-88ССБТ.Общиесанитарно-гигиенические
требования к воздуху рабочей зоны.
83.ГОСТ12.2.062-81ССБТ.Оборудованиепроизводственное.
Ограждения защитные.
84.ПУЭп.1.1.13.Классификацияпомещенийпо
электробезопасности.
85.ГОСТ 12.1.030-81 Система стандартов безопасности труда
(ССБТ).Электробезопасность.Защитноезаземление.Зануление(с
Изменением N 1)
86.НПБ 105-03 Определение категорий помещений, зданий и
наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности
87.Постановление Правительства РФ от 25.04.2012 N 390 О
противопожарном режиме
88.СанПиН2.2.1/2.1.1.1278-03″Гигиеническиетребованияк
естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых и
общественных зданий” (с изменениями на 15 марта 2010 года)
89.ГОСТ 12.1.019-2017 Система стандартов безопасности труда
(ССБТ). Электробезопасность. Общие требования и номенклатура видов
защиты