Отримання адсорбційно-(фото)каталітичних та мембранних матеріалів на основі алюмосилікатів

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorДонцова, Тетяна Анатоліївна
dc.contributor.advisorЯнушевська, Олена Іванівна
dc.contributor.authorКуриленко, Віктор Сергійович
dc.date.accessioned2025-07-14T09:01:18Z
dc.date.available2025-07-14T09:01:18Z
dc.date.issued2025
dc.description.abstractКуриленко В. С. Отримання адсорбційно-(фото)каталітичних та мембранних матеріалів на основі алюмосилікатів. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 161 «Хімічні технології та інженерія». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», МОН України, Київ, 2025. Дисертаційну роботу присвячено дослідженню природних алюмосилікатів (цеоліту, бентоніту та каоліну) для створення функціональних матеріалів екологічного призначення – адсорбентів, фотокаталізаторів, каталізаторів та матриць для керамічних мембран. У роботі розроблено підходи до активування та модифікування природних алюмосилікатів з метою покращення адсорбційних, фотокаталітичних і каталітичних властивостей. Кислотне активування цеоліту та бентоніту реалізовано шляхом обробки нітратною кислотою (2 моль/дм3 ) за температури 40 °C впродовж 4 годин. В результаті отримано адсорбційні матеріали та носії для створення фотокаталізаторів/каталізаторів. Фотокаталізатори та каталізатори отримано подальшим модифікуванням носіїв оксидами металів (TiO2, CoO, NiO, ZrO2) за власно адаптованими методиками. Можливість одержання керамічних матриць на основі природних алюмосилікатів вивчено традиційним методом сухого пресування та 3D друком за DLP технологією. Отримані функціональні матеріали охарактеризовано методами РФА, ІЧспектроскопії, термічного аналізу, низькотемпературної адсорбції/десорбції азоту та електронної мікроскопії. Встановлено температурні залежності фазових перетворень досліджуваних алюмосилікатів, поверхневі функціональні групи, структурно-адсорбційні характеристики та кислотно-оснóвні властивості тощо. Показано, що адсорбційна активність по відношенню до іонів фтору суттєво залежить від рН водного розчину, типу сорбенту, його дози та вихідної концентрації іонів фтору у розчині. Зазначено, що зниження рН водного розчину до значення 3,7 у присутності природного цеоліту (Zeo-0) підвищує ступінь видалення F- до 67 %, а адсорбційну ємність сорбенту – до 0,77 мг/г за вихідної концентрації 15 мг/дм3 . Кислотно-активований цеоліт (Zeo-1) виявляв суттєво кращі адсорбційні характеристики: за дози 10 г/дм3 досягалося повне видалення фторид-іонів впродовж 120 хвилин, а за зменшення дози до 1 г/дм3 та вихідної концентрації іонів фтору 15 мг/дм3 адсорбційна ємність адсорбенту і ступінь видалення F- становила 7,89 мг/г і 52,6 % відповідно. Мінімальна доза адсорбентів, яка необхідна для досягнення гранично допустимої концентрації за фторид-іонами, складала 0,4 г/дм3 для Zeo-1 і 1,18 г/дм3 для Bent-1 (вихідна концентрація F- С0 = 3 мг/дм3 ). Встановлено, що адсорбція іонів фтору за використання усіх адсорбентів найкраще описується моделлю ВагелараЛенгмюра (R2 = 0,999). Доведено, що композитні фотокаталізатори на основі природних алюмосилікатів та ТіО2 (10 мас.%) є високо активними у видаленні органічних барвників різної природи (на прикладі метиленового синього та конго червоного). Винайдено, що видалення метиленового синього з водного розчину композитом TiO2/Zeo-1 відбувається повною мірою за рахунок адсорбції, а вилучення конго червоного (до 74 %) – у результаті фотокаталітичного процесу. Порівняльний аналіз вартості та фотокаталітичної активності TiO2/Zeo-1 з комерційним TiO2 P25 показав, що отриманий композит є значно дешевшим (~ у 70 разів), ніж P25 при співрозмірній фотокаталітичній активності. Дослідження каталітичного крекінгу полістиролу з використанням природного українського цеоліту, модифікованого оксидами Co, Ni та Zr, свідчать про перспективність його застосування як носія каталізаторів в процесах переробки пластикових відходів. За допомогою одностадійної схеми каталітичного крекінгу полістиролу і використання суміші каталізаторів Zeo-1 та NiO/Zeo-1 отримували вихід рідкої фази на рівні 65,3 %. Найвища селективність за стиролом (81,9 %) досягнута для каталізаторів Zeo-0 і CoO/Zeo-1 при застосуванні двостадійної схеми. Доведено доцільність використання українських природних алюмосилікатів для створення керамічних матриць методом сухого пресування, які характеризувались пористістю до 43,6 %. Продемонстровано можливість 3D друку за DLP технологією з метою одержання керамічних матриць контрольованого дизайну з використанням попередньо термообробленого каоліну. У дисертації вперше одержані такі нові наукові результати. Винайдено, що кислотне активування українських цеоліту та бентоніту одночасно забезпечує розвинення питомої площі поверхні, її протонування та створення внаслідок цього кислотно-осно́ вних активних центрів, що суттєво підвищує адсорбційну та каталітичну. Доведено, що синтез фотокаталітичних систем на основі природних українських алюмосилікатів та ТiO2 є перспективним способом отримання вітчизняних низьковартісних фотокаталізаторів, які є конкурентними у порівнянні з чистою фазою титан(IV) оксиду за рахунок утворення специфічної вторинної пористої структури. Виявлено, що поєднання кислотного активування та модифікування природного цеоліту українського походження оксидами кобальту та нікелю дозволяє одержати високоактивні каталізатори переробки полістиролу методом крекінгу, що пов’язано з посиленням впливу протонування поверхні цеоліту на каталітичну активність оксидів перехідних металів. Вперше показано можливість використання українського природного каоліну для створення суспензій, що здатні до фотополімеризації і до 3D друку методом DLP. Встановлено, що для приготування суспензії на основі фотополімерної смоли High Speed Resin v2 необхідна попередня термообробка природного каоліну за 500 °С. Практична значущість підтверджується наступним. Розроблено технологічну схему модифікування природного цеоліту, яка функціонує в періодичному режимі та дозволяє отримати три продукти: кислотноактивований сорбент – Zeo-1, фотокаталізатор – TiO2/Zeo-1 та каталізатор крекінгу полістиролу – CoO/Zeo-1. За результатами техніко-економічних розрахунків встановлено, що ціна адсорбенту (Zeo-1), фотокаталізатору (TiO2/Zeo-1) та каталізатору крекінгу (CoO/Zeo-1) є на рівні 130,36 грн/кг, 420,74 грн/кг та 590,78 грн/кг відповідно. Випробовувано каталізатор Zeo-0+CoO/Zeo-1 в двохстадійній схемі крекінгу полістиролу на базі ТОВ «НВГ «СІНЕКОТЕХ». Акт випробувань додається. Розроблено методику моделювання та 3D-друку керамічної матриці методом DLP з використанням природної сировини (каоліну та цеоліту). На підставі цього впроваджено лабораторну роботу «3D моделювання керамічних мембран в програмі Autodesk Fusion 360» з освітнього компоненту «Хімічні технології нульового забруднення» для освітньо-наукової програми другого (магістерського) рівня за спеціальністю 161 «Хімічні технології та інженерія», що підтверджено актом впровадження в навчальний процес.
dc.description.abstractotherKurylenko V. S. Synthesis of adsorption, (photo)catalytic and membrane materials based on aluminosilicates. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in the specialty 161 “Chemical Technology and Engineering”. – National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Ministry of Education and Science of Ukraine, Kyiv, 2025. The dissertation is devoted to the study of natural aluminosilicates (zeolite, bentonite, and kaolin) for the development of functional materials for environmental applications, namely adsorbents, photocatalysts, catalysts, and matrices for ceramic membranes. Approaches to the activation and modification of natural aluminosilicates were developed to enhance their adsorption, photocatalytic, and catalytic properties. Acid activation of zeolite and bentonite was carried out by treatment with nitric acid (2 mol/l) at 40 °C for 4 hours. As a result, adsorption materials and carriers for the synthesis of photocatalysts and catalysts were obtained. The photocatalysts and catalysts were produced through further modification of these carriers with metal oxides (TiO2, CoO, NiO, ZrO2) using proprietary adapted methods. The potential for obtaining ceramic matrices based on natural aluminosilicates was studied using both conventional dry pressing and 3D printing by DLP technology. The obtained functional materials were characterized by X-ray diffraction (XRD), infrared (IR) spectroscopy, thermal analysis, low-temperature nitrogen adsorption/desorption, and scanning electron microscopy (SEM). Temperature dependencies of phase transformations of the studied aluminosilicates, surface functional groups, structural and adsorption characteristics, acid-base properties, and other properties were determined. It was shown that the adsorption activity towards fluoride ions significantly depends on the pH of the aqueous solution, the type of sorbent, its dosage, and the initial concentration of fluoride ions. It was established that lowering the pH of the aqueous solution to 3.7 in the presence of natural zeolite (Zeo-0) increased the fluoride removal efficiency to 67% and the adsorption capacity to 0.77 mg/g at an initial concentration of 15 mg/l. Acid-activated zeolite (Zeo-1) exhibited significantly improved adsorption characteristics: at a dosage of 10 g/l, complete removal of fluoride ions was achieved within 120 minutes; when the dosage was reduced to 1 g/l with an initial fluoride ion concentration of 15 mg/l, the adsorption capacity and fluoride removal degree were 7.89 mg/g and 52.6%, respectively. The minimum dosage of sorbents required to achieve the maximum permissible concentration of fluoride ions was determined to be 0.4 g/l for Zeo-1 and 1.18 g/l for Bent-1 (initial fluoride ion concentration C0 = 3 mg/l). It was found that the adsorption of fluoride ions by all sorbents is best described by the Vagelar-Langmuir model (R2 = 0.999). It was proven that composite photocatalysts based on natural aluminosilicates and TiO2 (10 wt.%) are highly active in the removal of organic dyes of different nature (exemplified by methylene blue and Congo red). It was found that the removal of methylene blue from aqueous solution by the TiO2/Zeo-1 composite occurs entirely due to adsorption, whereas the removal of Congo red (up to 74%) is the result of a photocatalytic process. Comparative analysis of the cost and photocatalytic activity of TiO2/Zeo-1 and commercial TiO2 P25 demonstrated that the synthesized composite is approximately 70 times cheaper than P25, with comparable photocatalytic activity. Studies on the catalytic cracking of polystyrene using natural Ukrainian zeolite modified with Co, Ni, and Zr oxides confirmed the prospects of its application as a catalyst carrier for plastic waste recycling processes. Using a one-stage catalytic cracking scheme of polystyrene with a mixture of Zeo-1 and NiO/Zeo-1 catalysts, a liquid phase yield of 65.3% was obtained. The highest selectivity for styrene (81.9%) was achieved when using Zeo-0 and CoO/Zeo-1 catalysts in a two-stage cracking scheme. The feasibility of using Ukrainian natural aluminosilicates for the production of ceramic matrices by the method of dry pressing was proven, with the resulting materials exhibiting porosity up to 43.6%. The possibility of fabricating ceramic matrices with controlled design by 3D printing using DLP technology and pre-heattreated kaolin was demonstrated. The dissertation presents the following novel scientific results. It was found that acid activation of Ukrainian zeolite and bentonite simultaneously leads to the development of a specific surface area, its protonation, and the formation of acid-base active centers, significantly enhancing adsorption and catalytic properties. It was demonstrated that the synthesis of photocatalytic systems based on natural Ukrainian aluminosilicates and TiO2 is a promising way to obtain low-cost domestic photocatalysts, competitive with pure titanium(IV) oxide phases, due to the formation of a specific secondary porous structure. It was revealed that the combination of acid activation and modification of natural Ukrainian zeolite with cobalt and nickel oxides results in highly active catalysts for polystyrene cracking, attributed to the enhanced effect of zeolite surface protonation on the catalytic activity of transition metal oxides. For the first time, the feasibility of using Ukrainian natural kaolin for the preparation of photocurable suspensions suitable for 3D printing by DLP technology was demonstrated. It was established that the preparation of a suspension based on High Speed Resin v2 requires preliminary heat treatment of natural kaolin at 500 °C. The practical significance of the work is confirmed by the following. A technological scheme for the modification of natural zeolite operating in a batch mode was developed, enabling the production of three products: acid-activated sorbent Zeo-1, photocatalyst TiO2/Zeo-1, and catalytic cracking catalyst CoO/Zeo-1. According to the results of techno-economic calculations, the price for the obtained functional materials, namely Zeo-1, TiO2/Zeo-1, and CoO/Zeo-1, was determined to be 130.36 UAH/kg, 420.74 UAH/kg, and 590.78 UAH/kg, respectively. The Zeo-0+CoO/Zeo-1 catalyst was tested in a two-stage polystyrene cracking scheme at the LLC "Scientific and Production Group SINEKOTEKH". The test report is attached. A method for modeling and 3D printing ceramic matrices by DLP technology using natural raw materials (kaolin and zeolite) was developed. Based on the obtained results, a laboratory work entitled “3D Modeling of Ceramic Membranes in the Autodesk Fusion 360 Program” was developed and implemented within the educational component "Zero-Pollution Chemical Technologies" of the second (master’s) level educational and scientific program in the specialty 161 "Chemical Technologies and Engineering", which is confirmed by the implementation act.
dc.format.extent208 с.
dc.identifier.citationКуриленко, В. С. Отримання адсорбційно-(фото)каталітичних та мембранних матеріалів на основі алюмосилікатів : дис. … д-ра філософії : 161 хімічні технології та інженерія / Куриленко Віктор Сергійович. – Київ, 2025. – 208 с.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/74896
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectалюмосилікати
dc.subjectцеоліт
dc.subjectбентоніт
dc.subjectкаолін
dc.subjectадсорбція
dc.subjectкислотне активування
dc.subjectмодифікування
dc.subjectфотокаталіз
dc.subjectорганічні барвники
dc.subjectкаталітичний крекінг
dc.subjectполістирол
dc.subjectкерамічні матриці
dc.subject3D друк
dc.subjectaluminosilicates
dc.subjectzeolite
dc.subjectbentonite
dc.subjectkaolin
dc.subjectadsorption
dc.subjectacid activation
dc.subjectmodification
dc.subjectphotocatalysis
dc.subjectorganic dyes
dc.subjectcatalytic cracking
dc.subjectpolystyrene
dc.subjectceramic matrices
dc.subject3D printing
dc.subject.udc544.723 + 544.526.5 + 66.092.097 + 666.3
dc.titleОтримання адсорбційно-(фото)каталітичних та мембранних матеріалів на основі алюмосилікатів
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Kurylenko_dys.pdf
Розмір:
13.63 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (ТНР,ВтаЗХТ)
Дисертації (вільний доступ)