ПОРИСТЫЕ КЕРАМИЧЕСКИЕ ПРОДУКТЫ ИЗ СУБОКСИДОВ ТИТАНА Российский патент 2021 года по МПК C04B38/06 C04B35/46 

Изобретение относится к керамическим пористым продуктам, состоящим, главным образом, из субоксидов титана. Под субоксидами титана понимаются, классически, оксиды титана общей формулы TiO_x, в которой х составляет от 1 до 2, исключая границы, в частности, фазы, именуемые Магнели. Изобретение также относится к способу производства таких керамических пористых продуктов и к их использованию, в частности, в электрохимических устройствах, а именно, применяемых для обработки жидкостей, например, для очистки воды.

Хорошо известно, что такие продукты, благодаря преимуществам, которые они обеспечивают, широко и с успехом используются во множестве других вариантов применения, а именно, в любой области, где требуется значительная пористость и/или гомогенность и/или одномодальное распределение. Для примера можно привести, в частности, помимо прочего, электроды в электрохимических системах, электропроводные подложки для слоев или для мембран или для дисперсных активных фаз, область катализа, а именно, окисление летучих органических соединений.

Для усовершенствования обработки стоков, загрязненных биологически стойкими веществами (например, антибиотиками, противовоспалительными средствами и т.д.), не удаленными обычными способами, рассматривается вопрос использования мембранных систем, которые должны выполнять две функции: с одной стороны, задерживание подлежащих обработке соединений и, с другой стороны, их разложение электрохимическим способом. Продукт, используемый в таких мембранных системах, должен, таким образом, обладать пористостью, соответствующей размеру загрязняющих частиц и позволяющей пропускать обработанный отходящий поток, замедляя его с целью продления контакта подлежащих разложению соединений с мембраной, не создавая при этом слишком большую потерю напора. Он также должен быть электроактивным, то есть, обеспечивать возможность разложения (преобразования органического углерода загрязняющих соединений в нетоксичный неорганический углерод) электрохимическим способом. Пористые продукты на основе субоксидов титана, в частности, образованные из материалов или содержащие материалы на основе фаз Магнели Ti₄O₇, Ti₅O₉ или Ti₆O₁₁, в частности, на основе Ti₄O₇, в соответствии с настоящим изобретением, рассматриваются как пригодные для такого варианта применения.

В патенте ЕР 047 595 В1 (или его эквиваленте US 4422917) предложены материалы, образованные субоксидом типа TiO_x, где х составляет от 1,55 до 1,95, для изготовления электродов. Материалы синтезируют, исходя из порошка TiO₂ в смеси с восстановителем типа Ti, TiN, TiSi, C, TiO или Ti₂O₃, при температуре от 1150 до 1450°С в зависимости от природы восстановителя.

В заявке на международный патент WO2014/049288 описаны плавленые гранулы, состоящие, по существу, из смеси фаз Магнели Ti₅O₉ и Ti₆O₁₁. В частности, описан сравнительный пример, изготовленный, исходя из смеси рутила и 4% вес. обожженной углеродной сажи, при 1450°С в атмосфере аргона в течение 2 часов, общей формулы TiO_1,82. Также описан другой сравнительный пример, изготовленный, исходя из смеси анатаза и 1% вес. обожженной углеродной сажи, при 1450°С в атмосфере аргона в течение 2 часов, который имеет общую формулу TiO_1,79 и который образован из фаз Ti₄O₇ (25% вес. общего веса продукта), Ti₅O₉ (30% вес.)_, Ti₆O₁₁ (20% вес.) и Ti₃O₅ (25% вес.). В этой заявке не описывается пористый продукт, предназначенный для применения в области фильтрации и/или электрохимии, соответствующий изобретению.

В статье «Electrochemical impedance spectroscopy study of membrane fouling and electrochemical regeneration at a sub-stoichiometric TiO₂ reactive electrochemical membrane», опубликованной в Journal of Membrane Science, 510-523, (2016), описано использование мембраны из Ti₄O₇ и Ti₆O₁₁ с пористостью 28,2%, средним размером пор 3,27 мкм и бимодальным распределением пор.

В статье «Development and Characterization of Ultrafiltration TiO₂ Magnéli Phase Reactive Electrochemical Membranes», опубликованной в «Environ Science and Technologie», 50(3), p1428-36 (2016), описаны пористые продукты, в частности электрохимическая пористая мембрана, используемая для ультрафильтрации, пористость которой составляет порядка 30%, средний диаметр пор равен 2,99 мкм. Способ получения таких мембран включает множество стадий, в том числе обработку водородом при высокой температуре (1080°С) с целью получения указанных фаз Магнели. Осуществление такого способа представляется довольно опасным.

Все эти способы, в конце концов, приводят к получению пористых мембран из оксида титана, некоторая доля пористости которых образована порами нанодиапазона и, таким образом, слишком маленькими для использования в преследуемых целях фильтрации. Кроме того, эта дополнительная пористость способствует повышению механической хрупкости мембраны.

Приведенный анализ показывает, что в настоящее время еще имеется потребность в достаточно безопасном способе производства пористых продуктов на основе субоксидов титана, отвечающих общей формуле TiO_x, в частности, в которой х составляет от 1,50 до 1,95, более конкретно, в которой х составляет от 1,75 до 1,85.

Также существует потребность в керамических продуктах на основе субоксида(ов) титана с повышенной пористостью, то есть, открытая полезная (то есть, доступная для подлежащих разложению соединений) пористость которых превышает этот параметр продуктов, описанных в представленных публикациях.

Целью настоящего изобретения является эффективное разрешение указанных проблем.

В первом аспекте, настоящее изобретение относится к способу производства пористых продуктов, образованных, по существу, из субоксида(ов) титана общей формулы TiO_x, в которой величина х составляет от 1,6 до 1,9, при этом, указанный способ включает следующие стадии:

а) смешивание исходных материалов, включающих, по меньшей мере, источник диоксида титана, восстановитель, содержащий углерод, и, необязательно, один или несколько органических продуктов, например, связующий материал, пластификатор, смазочный материал, предпочтительно, в смеси с растворителем, таким как вода,

b) формование продукта, например, путем экструдирования, прессования, пленочного литья или гранулирования,

с) необязательно, а именно, когда на стадии а) используются органические продукты, термическая обработка в воздушной или окислительной атмосфере при температуре, которой достаточно для устранения большой части органического(их) продукта(ов) и которая меньше температуры испарения восстановителя,

d) обжиг, например, при температуре более 1150°С, но не более 1430°С в нейтральной или восстановительной атмосфере.

Согласно одной из существенных отличительных особенностей способа, соответствующего изобретению, источник диоксида титана состоит, по меньшей мере, на 55% из анатазной формы.

Согласно другой существенной отличительной особенности способа, соответствующего изобретению, количество восстановителя и температуру обжига регулируют совместно таким образом, что конечный пористый продукт отвечает общей формуле TiO_x, в которой величина х составляет от 1,6 до 1,9, предпочтительно, от 1,75 до 1,85, более конкретно, так, что конечный пористый продукт состоит, по существу, из фаз типа Ti_nO_2n-1, где n - целое число, большее или равное 4 и меньшее или равное 9, в частности, из Ti₄O₇, Ti₅O₉, Ti₆O₁₁.

Благодаря такой тройственности выбора источника диоксида титана, количества восстановителя и конечной температуры обжига в описанном выше способе, становится возможным не только напрямую и безопасным образом получить пористый продукт, природа фаз которого может быть легко отрегулирована, но и достичь улучшенных параметров его пористости, как показано в последующем описании и, особенно, в примерах. Так, путем выбора источника диоксида титана, параметров способа, а именно, количества восстановителя, температуры обжига и, если нужно, температуры и длительности термической обработки стадии с), становится возможным, в соответствии с изобретением, получить продукт с настраиваемым составом, а именно, который содержит, главным образом, фазы Магнели, выбранные из Ti₃O₅, Ti₄O₇, Ti₅O₉, Ti₆O₁₁, Ti₇O₁₁, Ti₈O₁₅, Ti₉O1₇, или смеси, большую часть которой составляют, по меньшей мере, две из этих фаз, пористость которого больше той, которая может быть достигнута описанными ранее способами, в частности, больше или равна 34%, и, преимущественно, который характеризуется, по существу, одномодальным распределением пор.

Согласно предпочтительным вариантам осуществления способа:

Исходная смесь содержит менее 40%, даже менее 35%, даже менее 30%, даже менее 20%, даже менее 10% рутила в качестве источника диоксида титана.

Исходная смесь содержит более 60% вес. анатаза в качестве источника диоксида титана, предпочтительно, более 65%, даже более 70% или даже более 80%, предпочтительно, более 90% анатаза в качестве источника диоксида титана, даже содержит только анатаз в качестве источника диоксида титана, за исключением неизбежных примесей.

Анатаз присутствует в исходной смеси, предпочтительно, в форме порошка, характеризующегося медианным диаметром частиц от 0,2 до 0,5 мкм.

Восстановитель, содержащий углерод, может быть выбран из углеродной сажи, кокса, активированного угля, графита или любого другого органического соединения, содержащего, по меньшей мере, 50% вес. углерода, даже, по меньшей мере, 70% или даже 80% вес. углерода. Восстановитель, содержащий углерод, также может включать или даже состоять из карбида титана (TiC).

Восстановитель, предпочтительно, присутствует в форме порошка, характеризующегося медианным диаметром частиц от 0,2 до 0,5 мкм.

Исходная смесь, преимущественно, может содержать от 1,5 до 5,0% вес. углерода относительно веса диоксида титана. Очевидно, что углерод поступает, по существу или полностью, из указанного восстановителя.

Предпочтительно, содержание углерода в смеси, отнесенное к весу диоксида титана, составляет более 1,5%, даже более 2,0%, даже более 2,5%.

Предпочтительно, содержание углерода в смеси, отнесенное к весу диоксида титана, составляет менее 4,5%, даже менее 4,0% вес.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, медианный диаметр частиц порошков в исходной смеси перед стадией формования меньше или равен 1 мкм, даже менее 0,5 мкм.

Предпочтительно, медианный диаметр частиц порошков в исходной смеси перед стадией формования составляет от 0,1 до 1 мкм, особенно предпочтительно, составляет от 0,2 до 0,5 мкм.

Исходная смесь может содержать в качестве восстановителя углеродную сажу, предпочтительно, восстановитель представляет собой углеродную сажу.

Исходная смесь может содержать от 1,5 до 5,0% вес. углеродной сажи относительно веса диоксида титана. Предпочтительно, содержание углеродной сажи составляет более 1,5%, даже более 2,0%, даже более 2,5% и/или менее 4,5%, даже менее 4,0% вес. углеродной сажи относительно веса диоксида титана.

Диоксид титана составляет, предпочтительно, более 90% общей неорганической массы, присутствующей в исходной смеси (за исключением неорганического углерода), предпочтительно, составляет всю неорганическую массу, присутствующую в исходной смеси.

Не выходя за рамки изобретения, исходная смесь, однако, также может содержать иные, нежели диоксид титана, неорганические материалы, например, в количестве менее 5,0%, даже менее 4,0%, даже менее 3,0%, даже менее 1,0%, даже менее 0,5% общей неорганической массы.

Этот неорганический материал может представлять собой, например, оксид кремния (SiO₂), такие оксиды, как Nb₂O₅ или Ta₂O₅, V₂O₅, ZrO₂, оксиды Ba, Sr, Mn, Cr, Fe, оксиды щелочных или щелочноземельных элементов типа Ca, Na, K, Li, в частности, оксиды калия или натрия.

Этот неорганический материал может, например, в количестве менее 1,5%, даже менее 1,0%, даже менее 0,8%, даже менее 0,5% общей неорганической массы, представлять собой оксиды щелочных или щелочноземельных элементов типа Ca, Na, K, Li или же примеси (связанные, в том числе, с используемыми исходными материалами), такие как Al₂O₃.

Способ может включать дополнительную стадию (до или после стадии а)) измельчения или дезагрегации используемых исходных материалов таким образом, чтобы они имели медианный диаметр частиц, соответствующий способу и варианту применения, предпочтительно, менее 1 мкм, даже менее 0,5 мкм, даже от 0,2 до 0,5 мкм.

На стадии b) формование, предпочтительно, осуществляют путем экструдирования, например, с получение трубок или сотовой структуры, как показано в нижеследующем описании.

В принципе, во время формования смесь стадии а) не содержит дополнительных органических продуктов, и ее обжиг проводят сразу же после стадии формования без промежуточной термической обработки.

В качестве альтернативы, формование стадии b) может быть осуществлено путем уплотнения. В частности, формование может быть выполнено путем прессования. Согласно такому варианту формования, смесь стадии а) включает один или несколько органических продуктов, предпочтительно, в смеси с растворителем, таким как вода, и на стадии с) ее подвергают термической обработке в воздушной или окислительной атмосфере при температуре, которой достаточно для устранения большой части органического(их) продукта(ов) и которая меньше температуры испарения восстановителя.

На стадии b) формование также может состоять в гранулировании, например, при помощи мощной мешалки или распылителя, в котором используется суспензия или псевдоожиженный слой.

На стадии b) формование также может быть осуществлено любым другим способом формования, например, с использованием суспензии, например, способом пленочного литья или осаждения путем обмакивания.

На необязательной стадии с) температура, предпочтительно, составляет более 150°С, даже более 170°С, даже более 200°С и/или менее 480°С, даже менее 450°С, даже менее 430°С.

На стадии d) температура, предпочтительно, составляет более 1180°С, даже более 1200°С, даже более 1230°С и/или менее 1400°С, даже менее 1380°С, даже менее 1360°С.

На стадии d) атмосфера нейтральная, например, это атмосфера аргона или, в качестве альтернативы, атмосфера восстановительная, например, это атмосфера водорода под давлением.

Согласно конкретному способу осуществления изобретения, смесь исходных материалов содержит, по весу, по меньшей мере, 90% диоксида титана в форме анатаза и, по меньшей мере, 3% углеродной сажи, и обжиг проводят при температуре в диапазоне от 1300 до 1450°С, предпочтительно, в нейтральной атмосфере.

Благодаря применению такого способа, оказалось возможным производить пористые продукты, образование, по существу, субоксидами титана, отвечающие средней общей формуле TiO_x, величина х в которой может быть без труда отрегулирована в зависимости от состава исходной смеси, в частности, соответствовать величинам от 1,6 до 1,9, в частности, от 1,75 до 1,85. Преимущественно, согласно изобретению, такое регулирование может быть достигнуто непосредственно как функция совместного регулирования с процентной долей углеродной сажи, изначально присутствующей в смеси.

Помимо упомянутого выше, пористые продукты, являющиеся результатом осуществления описанного способа, характеризуются пористостью, существенно улучшенной по сравнению с пористостью пористых продуктов, получаемых другими способами. В частности, способом, соответствующим изобретению, возможно получить продукты с увеличенным общим коэффициентом пористости, по существу, одномодальным распределением пор и размером пор, лежащим в области, порядка микрометра.

Благодаря таким свойствам, продукты, соответствующие изобретению, могут быть очень полезны во многих областях применения, в частности, для обработки отходящих потоков.

Настоящее изобретение также относится к пористым продуктам, которые могут быть получены способом, соответствующим изобретению.

Оно также относится к пористым продуктам, которые могут быть получены способом, соответствующим изобретению и облицованы мембраной.

В частности, настоящее изобретение относится к пористому продукту, который может быть получен способом по одному из изложенных выше пунктов, отличающемуся тем, что:

- материал, образующий указанный продукт, отвечает общей формуле TiO_x, в которой величина х составляет от 1,6 до 1,9, предпочтительно, от 1,75 до 1,85,

- распределение диаметров пор, по существу, одномодальное,

- медианный диаметр d₅₀ пор составляет от 1 до 2,5 мкм,

- открытая пористость превышает 34%.

Пористые продукты, соответствующие изобретению, содержат, в общей сложности, более 90% вес. субоксида(ов) титана, отвечающего(их) общей формуле Ti_nO_2n-1, в которой n является целым числом, большим или равным 3 и меньшим или равным 9.

Все величины пористости, приведенные в настоящем описании, получены путем измерения при помощи ртутного порозиметра. Общая открытая пористость продуктов больше или равна 34%.

Распределение пор субоксида(ов) титана, образующего(их) продукт, соответствующий изобретению, является одномодальным. Медианный диаметр пор, также измеренный при помощи ртутного порозиметра, составляет от 0,5 до 5 мкм, предпочтительно, от 0,8 до 2,5 мкм.

Предпочтительно, пористые продукты содержат, в общей сложности, более 92%, даже более 94% или даже более 95% субоксида(ов) титана.

Не выходя за рамки настоящего изобретения, продукты могут, однако, содержать другие фазы, в частности, оксид кремния (SiO₂) или же другие элементы, присутствующие, по существу, в форме оксида или в форме определенного соединения (например, KTi₈O₁₆) или в форме твердого раствора с субоксидом(ами) титана, а именно, Al, Cr, Zr, Nb, Ta, Li, Fe, щелочные или щелочноземельные элементы типа Ca, Sr, Na, K, Ba. В пересчете на соответствующие простые оксиды, общее количество указанных присутствующих элементов, предпочтительно, не больше 10% вес. общей массы продукта, например, не больше 5%, даже не больше 4% или даже менее 3% вес. общей массы продукта. Присутствие этих элементов может быть желательными или может быть связано с наличием примесей в используемых исходных материалах.

Кроме этого, продукты могут содержать следы нитридов (нитридов, оксинитридов или карбонитридов титана).

Согласно предпочтительному варианту, пористые продукты, соответствующие изобретению, образованы только из указанных субоксидов титана, а другие фазы присутствуют только в форме неизбежных примесей.

В частности, указанные субоксиды титана, предпочтительно, представляют собой преимущественно фазы Ti_nO_2n-1, в которых n составляет от 4 до 6, включая границы, то есть, Ti₄O₇, Ti₅O₉, Ti₆O₁₁, которые обладают наибольшей электропроводностью, при этом, указанные фазы составляют, в общей сложности, предпочтительно, более 80%, даже 85% или даже 90% вес., продуктов, соответствующих изобретению.

Указанные субоксиды титана в качестве основной фазы содержат, предпочтительно, Ti₄O₇ и/или Ti₅O₉.

Под «основной фазой» понимается, что главный дифракционный пик, имеющийся на рентгенограмме, соответствует этим фазам Магнели.

В частности, в контексте настоящего изобретения, фаза рассматривается как «основная», если она составляет более 25% вес. продукта, предпочтительно, по меньшей мере, 35%, даже, по меньшей мере, 45% вес. продукта.

Согласно особенно предпочтительному варианту осуществления изобретения, указанные основные фазы представляют собой фазы Ti_nO_2n-1 общей формулы Ti₄O₇ или Ti₅O₉ или Ti₆O₁₁ или смесь этих фаз.

В частности, в пористых продуктах, соответствующих одному из преимущественных вариантов осуществления изобретения, фазы Ti₄O₇ и/или Ti₅O₉ и/или Ti₆O₁₁ составляют, в целом, более 60% вес. продукта, предпочтительно, более 70% вес. продукта, особенно предпочтительно, более 80% вес. продукта, даже более 90% вес. продукта.

Согласно одной из конкретных форм реализации продукта, соответствующего изобретению, пористый продукт, соответствующий изобретению, представляет собой плоскую деталь, например, прямоугольной или круглой формы, а именно, полученную по окончании стадии b) уплотнения или прессования или литья.

Согласно одной из конкретных форм реализации продукта, соответствующего изобретению, пористый продукт, соответствующий изобретению, представляет собой трубку, а именно, полученную по окончании стадии b) экструдирования. В такой трубке задерживание подлежащих обработке соединений и их электрохимическое разложение может происходить на поверхности трубки и/или внутри пор. Для осуществления электрохимической реакции трубка может быть снабжена катодом, например, трубчатой формы, например, расположенным соосно внутри трубки, соответствующей изобретению.

Согласно одной из конкретных форм реализации продукта, соответствующего изобретению, а именно, полученного по окончании стадии b) экструдирования, пористый продукт, соответствующий изобретению, представляет собой сотовую структуру. Под сотовой структурой понимается классическая структура, содержащая множество каналов, по существу, параллельных, отделенных друг от друга стенками, а именно, пористыми стенками, образованными из субоксида(ов) титана, соответствующего(их) изобретению, общей формулы TiO_x, где величина х составляет от 1,6 до 1,9.

В сотовой структуре задерживание подлежащих обработке соединений и их электрохимическое разложение может происходить на поверхности каналов и/или внутри пор каждого канала. Задерживание может быть отнесено к типу «фронтального», если каналы попеременно закупорены на одном из своих концов, или же к типу «тангенциального», если каналы не закупорены. Сотовая структура может иметь прямоугольное, круглое или эллипсоидальное сечение. Для проведения электрохимической реакции сотовая структура может быть снабжена катодом с образованием модуля, при необходимости, соединяемого с одним или множеством других модулей для создания системы большего размера.

Соответствующее весовое процентное содержание различных фаз, образующих продукт, соответствующий изобретению, может быть определено методами, хорошо известными в данной области, в частности, рентгенодифракционным методом, например, путем простого сравнения отношения интенсивности дифракционных пиков различных присутствующих фаз или же более точным методом Ритвельда (Rietveld) в соответствии с методиками, хорошо известными в данной области.

Чтобы напрасно не отягчать настоящее описание, все возможные соответствующие изобретению сочетания различных предпочтительных вариантов осуществления состава продуктов, соответствующих изобретению, подобных описанным выше, не приводятся. Однако, понятно, что все возможные сочетания начальных и/или предпочтительных диапазонов и величин, описанных ранее, принимаются во внимание на момент подачи настоящей заявки и должны рассматриваться как описанные Заявителем в рамках настоящей заявки (в том числе, сочетания из двух, трех или более).

Изобретение и его преимущества станут более понятны по рассмотрении нижеследующих примеров, не имеющих ограничительного характера. В этих примерах все величины процентного содержания даны по весу.

ПРИМЕРЫ

Во всех примерах образцы готовили, исходя из гомогенной смеси, полученной путем перемешивания в фарфоровой мельнице в течение 1-2 часов исходных неорганических материалов, включающих порошкообразную углеродную сажу, выпускаемую серийно Cabot Corporation, со средним диаметром частиц порядка 0,2-0,3 мкм (подтвержденным методом сканирующей электронной микроскопии, microscopie électronique à balayage - MEB), и порошкообразный диоксидом титана, выпускаемый серийно в форме анатаза (в нижеследующих таблицах обозначен А) и/или в форме рутила (в таблицах обозначен R), в обоих случаях содержащий более 96% TiO₂. Эти два порошка характеризуются медианным диаметром частиц порядка 0,2-0,5 мкм.

Порошкообразные оксиды ниобия или тантала, использованные в примерах 23 и 24, характеризовались степенью чистоты более 98% и были предварительно размолоты до получения медианного диаметра частиц 0,3 мкм.

Количество углеродной сажи (в таблицах обозначенной «углерод»), отнесенное к 100 г диоксида титана в исходной смеси, приведено в таблицах.

Смеси исходных реагентов могут быть подвергнуты формованию путем прессования (в таблицах обозначено Р) без введения других добавок с получением круглой пластинки диаметром 13 мм и высотой 7 мм.

В других примерах использовали добавки, образованные из следующих органических продуктов: пластификатора (Methocel A4M, примерно, 2,5% вес. относительно неорганической смеси), смазочного материала (Putroil, примерно, 3,0% вес. относительно неорганической смеси), диспергатора (Darvan C-N, примерно, 1,5% вес. относительно неорганической смеси), воды, и тогда формование проводили путем экструдирования (в таблицах обозначено Е) с получением формы трубки внутренним диаметром порядка 6,2 мм, толщиной, примерно, 4 мм, длиной порядка 162 мм после обжига.

В другом примере формование проводили путем гранулирования (в таблицах обозначено G): исходные реагенты перемешивали в шаровой мельнице в течение 5 часов, затем в течение 4 мин пропускали через противоточный гранулятор с постепенным добавлением раствора PVA (примерно, 15% вес. относительно неорганической смеси) в начале операции.

Когда использовали органические добавки, образцы выдерживали на воздухе в течение 30 мин (если в таблицах не указано иное) при температуре Т₁, указанной в таблицах, для удаления большей части упомянутых органических продуктов и, в случае необходимости, летучих соединений восстановителя путем промежуточного нагревания. Наконец, проводили обжиг в потоке аргона в печи Nabertherm RHTC 80-710/15 с трубкой, изготовленной из 99,7% оксида алюминия, в течение 2 часов при температуре Т₂, указанной в таблицах.

Протоколы экспериментов, проведенных с целью определения состава и свойств различных полученных образцов, были следующими:

1) Кристаллические фазы, присутствующие в жаропрочных продуктах характеризовали рентгенодифракционным методом. Полученные результаты сведены в таблицы. В этих таблицах РР означает основуню(ые) фазу(ы), РМ означает неосновуню(ые) фазу(ы). В контексте настоящего изобретения, фаза рассматривается как «основная», если она составляет, по меньшей мере, 25% общего веса продукта. Фаза рассматривается как «неосновная», если она составляет более 5% и менее 25% общего веса продукта, в частности, более 5% и менее 20% общего веса продукта, предпочтительно, более 5% и менее 15% общего веса продукта, принимая, что суммарный вес неосновных фаз, обычно, составляет менее 50%, предпочтительно, менее 30%, даже менее 20% веса продукта.

2) Пористость и медианный диаметр пор определяли известным образом при помощи ртутного порозиметра. Объем пор измеряли по интрузии ртути при 200 бар при помощи ртутного порозиметра Autopore IV, серия 9520 Micromeritics, для образца 1 см³. Соответствующим стандартом является ISO15901-1:2016, часть 1. Увеличение давления до высоких значений приводит к «проталкиванию» ртути в поры все меньшего и меньшего размера. Медианный диаметр (обозначенный в таблицах D₅₀) пор соответствует пороговой величине 50% об. множества. «Моно» в таблицах означает, что распределение пор одномодальное, с центром D₅₀, приведенным там же.

3) Остаточное содержание углерода определяли методом поглощения в инфракрасной области при помощи анализатора Horiba, в котором порошкообразный образец сжигается в потоке кислорода высокой степени чистоты.

4) Для измерения медианного диаметра частиц титана, содержащихся в исходной смеси, использовали гранулометр модели LA-950V2 производства Horiba с коэффициентом преломления 2,61.

Таблица 1

Пример 1* 2 3 4 5 6 7 8* 9* TiO₂ A A A A A A A R R Углерод (г) 1,0 2,0 2,5 3,0 3,7 3,7 3,4 3,4 4,0 Формование P P P P P P P P P T₁ (°C) - - - - - - - - - T₂ (°C) 1450 1300 1300 1300 1300 1400 1400 1400 1450 Фазы PP Ti₈O₁₅ Ti₆O₁₁ Ti₅O₉ Ti₅O₉ Ti₄O₇ Ti₅O₉ Ti₄O₇ Ti₅O₉ Ti₄O₇ PM Ti₉O₁₇ Ti₇O₁₃ Ti₇O₁₃ Ti₆O₁₁ Пористость (%) 14 35 38 38 38 34 34 10 13 D₅₀ (мкм) 1,8 1,8 1,8 Распределение диаметров пор Моно Моно Моно

* сравнительный

Примеры 1, 8 и 9 в таблице 1 являются сравнительными:

- В примере 1 содержание углерода недостаточно для получения искомых фаз Магнели.

- В примерах 8 и 9 источником диоксида титана является порошкообразный рутил.

Таблица 2

Пример 10 11 12 13 14* 15* TiO₂ A A A A A A Углерод (г) 3,4 3,4 3,4 3,4 3,4 3,4 Формование E E E E E E T₁ (°C) 350 350 350 350 (2 ч) 350 500 T₂ (°C) 1300 1350 1400 1400 1450 1350 Фазы PP Ti₅O₉ Ti₄O₇ Ti₅O₉ Ti₄O₇ Ti₅O₉ Ti₄O₇ Ti₅O₉ Ti₄O₇ Ti₅O₉ Ti₄O₇ TiO₂ PM Ti₃O₅ Ti₆O₁₁ Пористость (%) 42 39 34 36 29 10 D₅₀ (мкм) 1,7 1,8 1,8 1,9 2,2 Распределение диаметров пор Моно Моно Моно Моно Моно

* сравнительный

Примеры 14 и 15 являются сравнительными:

- В примере 14 термическая обработка путем обжига проводится при слишком высокой температуре.

- В примере 15 термическая обработка, направленная на удаление органических соединений, проводится при слишком высокой температуре и влечет за собой удаление части восстановителя.

Полученные кривые распределения диаметров пор продуктов, а также полученные при помощи электронного микроскопа изображения для примеров 7, 10 и 11, соответствующих изобретению, представлены на прилагаемой фиг. 1. Можно видеть одномодальное распределение диаметров пор с центром, соответствующим величине диаметра пор порядка микрометра.

Таблица 3

Пример 16 17 18 19* TiO₂ A (70%)+ R (30%) A (60%)+ R (40%) A (60%)+ R (40%) A (50%)+ R (50%) Углерод (г) 3,4 3,4 3,4 3,4 Формование P P P P T₁ (°C) - - - - T₂ (°C) 1200 1200 1300 1300 Пористость (%) 40 38 34 28

* сравнительный

Пример 19 является сравнительным: доля рутила слишком значительна.

Таблица 4

Пример 20* 21 22 TiO₂ A A A Углерод (г) 3,4 3,4 3,4 Формование P P P T₁ (°C) - - - T₂ (°C) 1100 1200 1300 Фазы PP ND Ti₆O₁₁ Ti₆O₁₁
Ti₅O₉ PM Ti₇O₁₃ Ti₅O₉ Ti₄O₇ Ti₃O₅ Ti₄O₇ Ti₃O₅ Остаточный С (%) 1,4 0,6 0,3

* сравнительный

Пример 20 является сравнительным: температура слишком низкая, поэтому имеется остаточный углерод, который может отрицательно влиять на электрохимические реакции.

В примерах 23 и 24, представленных в таблице 5, к TiO₂ в форме анатаза была добавлена небольшая доля оксида Nb₂O₅ или Ta₂O₅. В этих двух случаях отмечается существенное увеличение конечной пористости, в частности, по сравнению с примерами 4 и 5.

Таблица 5

Пример 23 24 25 26 TiO₂ A A A A Оксид Nb₂O₅ 2,2% Ta₂O₅ 1,3% Углерод (г) 3,4 3,4 3,7 3,7 Формование P P E G T₁ (°C) 350 (2 ч) 110 (60 ч) T₂ (°C) 1300 1300 1300 1300 Фазы PP Ti₅O₉ Ti₄O₇ Ti₅O₉ Ti₄O₇ Ti₄O₇ Ti₅O₉ Ti₄O₇ PM Ti₅O₉ Ti₃O₅ Пористость (%) 54 54 43 D₅₀ (мкм) 1,4 1,8 1,7 1,3 Распределение диаметра пор Моно Моно Моно Моно

Анализ рентгенограмм методом Ритвельда (Rietveld) показал, что продукты, полученные в примере 25, содержат 80% вес. Ti₄O₇ и 20% вес. Ti₅O₉.

Анализ данных, приведенных в таблицах, показал, что:

- В качестве источника диоксида титана необходимо использовать диоксид титана в форме анатаза, по меньшей мере, в части, превышающей 55% вес., использование фазы рутила не позволяет достичь желаемой пористости материала, образующего продукты, соответствующие изобретению;

- Для получения желаемых фаз Магнели следует отрегулировать необходимое количество восстановителя;

- В присутствии органических продуктов термическая обработка на воздухе или в атмосфере окислителя должна проводиться при меньшей температуре, чем температура испарения восстановителя оксида титана, например, при температуре менее 450°С, когда восстановителем является углеродная сажа;

- Продукты, получаемые способом, соответствующим изобретению, характеризуются пористостью, большей или равной 34%;

- Распределение пор является одномодальным, порядка микрометра.

Такие параметры пористости в совокупности приводят к улучшению обработки жидкостей и повышению эффективности фильтрации, так как продукт, соответствующий изобретению, отличается большим числом пор (и все они соответствуют медианному размеру порядка микрометра) в том же объеме пор и/или при увеличенном объеме пор, а также ограниченной потерей напора. В качестве альтернативы, такие свойства способствуют повышению селективности при задержании и облегчению удаления загрязнителей с малым размером частиц, порядка микрометра.

Изобретение относится к получению пористых мембран на основе субоксидов титана. Способ производства пористых продуктов, образованных, по существу, из субоксида(ов) титана общей формулы TiO_x, в которой величина х составляет от 1,6 до 1,9. Указанный способ включает следующие стадии: а) смешивание исходных материалов, включающих, по меньшей мере, источник диоксида титана, восстановитель, содержащий углерод в количестве до 5 мас.% от веса диоксида титана, b) формование продукта, с) необязательно, а именно когда на стадии а) используются органические продукты, термическая обработка в воздушной или окислительной атмосфере, d) обжиг, например, при температуре более 1200°С, но не более 1430°С, в нейтральной или восстановительной атмосфере. Источник диоксида титана состоит, по меньшей мере, на 55%, предпочтительно, на 90% и более, из анатаза. Продукт, который может быть получен таким способом, обладает по существу одномодальным распределением диаметров пор с медианным размером 0,5-5 мкм. Открытая пористость превышает 34%. Технический результат изобретения – получение продуктов с повышенной пористостью. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 5 табл., 26 пр., 1 ил.

1. Пористый продукт, отличающийся тем, что:

- материал, образующий указанный продукт, отвечает общей формуле TiO_x, в которой величина х составляет от 1,6 до 1,9, предпочтительно, от 1,75 до 1,85,

- распределение диаметров пор, по существу, одномодальное,

- медианный диаметр d₅₀ пор составляет от 0,5 до 5 мкм,

- открытая пористость превышает 34%.

2. Пористый продукт по предшествующему пункту, содержащий, в общей сложности, более 90% вес. фаз Магнели, выбранных из Ti₄O₇, Ti₅O₉, Ti₆O₁₁ или смеси, по меньшей мере, двух из этих фаз.

3. Пористый продукт по одному из пп. 1 или 2, в котором медианный диаметр d₅₀ пор составляет от 1 до 2,5 мкм.

4. Пористый продукт по одному из пп. 1-3, содержащий, кроме того, иной, нежели диоксид титана, неорганический материал в количестве менее 5,0% общей неорганической массы, и этот дополнительный неорганический материал выбран из группы, состоящей из оксида кремния (SiO₂), оксидов Nb₂O₅ или Ta₂O₅, V₂O₅, ZrO₂ или оксидов Ba, Sr, Mn, Cr, Fe, оксидов щелочных или щелочноземельных элементов.

5. Способ производства пористого продукта по одному из пп. 1-4, при этом указанный продукт образован, по существу, из субоксида(ов) титана общей формулы TiO_x, в которой величина х составляет от 1,6 до 1,9, при этом открытая пористость продукта превышает 34%, при этом указанный способ включает следующие стадии:

а) смешивание исходных материалов, включающих, по меньшей мере, источник диоксида титана, восстановитель, содержащий углерод, и, необязательно, один или несколько органических продуктов, предпочтительно, в смеси с растворителем, таким как вода, причем восстановитель, содержащий углерод, выбран из углеродной сажи, кокса или любого другого органического соединения, содержащего, по меньшей мере, 50% вес. углерода, даже, по меньшей мере, 70% или даже 80% вес. углерода, при этом исходная смесь содержит от 2 до 5,0% вес. углерода относительно общего веса диоксида титана,

b) формование продукта,

с) необязательно, а именно когда на стадии а) используются органические продукты, термическая обработка в воздушной или окислительной атмосфере при температуре, которой достаточно для устранения большой части органического(их) продукта(ов) и которая меньше температуры испарения восстановителя,

d) обжиг, например, при температуре более 1200°С, но не более 1430°С, в нейтральной или восстановительной атмосфере,

в котором источник диоксида титана состоит, по меньшей мере, на 55% из анатаза.

6. Способ производства по п. 5, в котором количество восстановителя регулируют таким образом, что конечный пористый продукт отвечает общей формуле TiO_x, в которой величина х составляет от 1,6 до 1,9, предпочтительно, от 1,75 до 1,85.

7. Способ по одному из пп. 5 или 6, в котором исходная смесь содержит более 90% вес. анатаза, предпочтительно, содержит только анатаз в качестве источника диоксида титана.

8. Способ по одному из пп. 5-7, в котором восстановителем является углеродная сажа.

9. Способ по одному из пп. 5-8, в котором стадию d) проводят в нейтральной атмосфере.

10. Способ по одному из пп. 5-9, в котором стадию d) проводят в восстановительной атмосфере.

11. Способ по одному из пп. 5-10, в котором смесь исходных материалов содержит, по весу, по меньшей мере, 90% диоксида титана в форме анатаза и, по меньшей мере, 3% углеродной сажи, и в котором обжиг проводят при температуре в диапазоне от 1300 до 1450°С, предпочтительно, в нейтральной атмосфере.

12. Способ по одному из пп. 5-11, в котором пористый продукт образован, по существу, фазами Магнели, выбранными из Ti₄O₇ и/или Ti₅O₉.

13. Способ по одному из пп. 5-12, в котором исходная смесь материалов содержит иные, нежели диоксид титана, неорганические материалы в количестве менее 5,0% общей неорганической массы.

14. Способ по одному из пп. 5-13, в котором исходная смесь материалов содержит иной, нежели диоксид титана, неорганический материал, и этот неорганический материал выбран из группы, состоящей из оксида кремния (SiO₂), оксидов Nb₂O₅ или Ta₂O₅, V₂O₅, ZrO₂ или оксидов Ba, Sr, Mn, Cr, Fe, оксидов щелочных или щелочноземельных элементов.