ИЗВЛЕЧЕНИЕ НАНОЧАСТИЦ ОКСИДА ЦИНКА ИЗ ИСПОЛЬЗОВАННОГО КАТАЛИЗАТОРА И ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ СОСТАВА

АННОТАЦИЯ

Данное исследование посвящено извлечению наночастиц оксида цинка (ZnO) из отходов импортного катализатора. Структурные и составные характеристики полученных наночастиц были тщательно изучены. Процесс извлечения основывался на промывке отходов катализатора азотной кислотой при 95 °C в течение 180 минут. Полученные наночастицы ZnO были обозначены как USCAT-SR-120. Анализ с использованием инфракрасной (ИК) спектроскопии и трансмиссионной электронной микроскопии (TEM) подтвердил наличие характерных связей ZnO и их интенсивность, что подтвердило состав извлеченного материала. Кроме того, наночастицы продемонстрировали различные, но относительно однородные размеры в нанодиапазоне. Полученные результаты показывают, что отходы катализатора могут служить перспективным источником для получения наночастиц ZnO, что открывает возможности для их применения в адсорбции, экологической ремедиации и других технологических областях.

ABSTRACT

This study focuses on the extraction of zinc oxide (ZnO) nanoparticles from the waste of an imported catalyst. The structural and compositional properties of the obtained nanoparticles were thoroughly investigated. The extraction process was based on washing the catalyst waste with nitric acid at 95 °C for 180 minutes. The resulting ZnO nanoparticles were designated as USCAT-SR-120. Analysis using infrared (IR) spectroscopy and transmission electron microscopy (TEM) confirmed the presence of characteristic ZnO bonds and their intensity, verifying the composition of the extracted material. Furthermore, the nanoparticles exhibited various but relatively uniform nanoscale dimensions. The findings suggest that catalyst waste can serve as a viable source for ZnO nanoparticle recovery, offering potential applications in adsorption, environmental remediation, and other technological fields.

Ключевые слова: оксид цинка, наночастицы, отходы катализатора, экстракция, азотная кислота, спектроскопия, экологические приложения.

Keywords: zinc oxide, nanoparticles, catalyst waste, extraction, nitric acid, spectroscopy, environmental applications.

Введение

Рост численности населения и увеличение потребностей общества привели к повышенному спросу на продовольствие, строительные материалы, фармацевтическую продукцию и другие товары по всему миру. Производственные процессы этих товаров в значительной степени зависят от водных ресурсов, что повышает риск загрязнения воды веществами и соединениями, потенциально опасными для окружающей среды и живых организмов. Современное научное сообщество уделяет большое внимание очистке сточных вод, поскольку этот процесс является сложным и играет ключевую роль в обеспечении глобальной экологической безопасности. Для эффективного удаления различных токсичных веществ и примесей из сточных вод разработаны многочисленные методы, среди которых использование адсорбентов является одним из наиболее перспективных и эффективных подходов.

Эти методы непрерывно совершенствуются благодаря достижениям науки и технологического прогресса в сфере производства. Использование местного сырья для получения адсорбентов является актуальной задачей, позволяющей обеспечить их эффективное и экологически безопасное применение.

Оксид цинка, широко распространенный в природе в виде минерала, представляет собой белый порошок, практически нерастворимый в воде. Это второй по распространенности оксид металла в природе после оксида железа, который отличается доступностью, низкой стоимостью и безопасностью. Порошок оксида цинка активно применяется в качестве добавки в различные материалы и продукты [5; 6].

Наночастицы оксида цинка обладают высокой удельной поверхностью, обеспечивая большое количество активных адсорбционных центров и повышая эффективность очистки. Оксид цинка демонстрирует универсальность в качестве адсорбента, эффективно поглощая ионы тяжелых металлов, красители и органические загрязнители, что делает его применимым для очистки широкого спектра загрязнений. Благодаря своей нетоксичности и экологической безопасности, оксид цинка является идеальным материалом для очистки воды и других экологических технологий. Эти свойства делают его важным компонентом в адсорбционных процессах и технологиях восстановления окружающей среды [1].

Удаление ионов металлов из сточных вод имеет важное экологическое значение, поскольку тяжелые металлы обладают высокой токсичностью для водных экосистем и человека. Например, адсорбция As(III) из водных растворов с использованием наночастиц оксида цинка уже изучалась в ряде исследований [8].

Кроме того, в энергетическом секторе оксид цинка демонстрирует высокую прозрачность, отличную подвижность электронов, большую энергию связи экситонов (60 мэВ), широкую запрещенную зону (3,37 эВ), сильную люминесценцию при комнатной температуре, а также высокую термическую и механическую стабильность [2]. Помимо этого, его широкий диапазон поглощения излучения и высокая фотостабильность делают его многофункциональным материалом. Благодаря этим оптическим и электрическим свойствам оксид цинка находит широкое применение в электронике, оптоэлектронике и лазерных технологиях [2; 7].

Исходя из данной предпосылки, нашей целью было изучить возможности извлечения оксида цинка из отходов катализатора SRT-109, используемого компанией «Uzbekistan GTL» LLC, работающей под управлением американской компании UNICAT.

Методы и материалы.

Процесс экстракции осуществлялся путем промывки отходов катализатора азотной кислотой при 95 °C в течение 180 минут. Полученные наночастицы оксида цинка были названы USCAT-SR-120. Их структура и состав были исследованы с использованием инфракрасной (ИК) спектроскопии и трансмиссионной электронной микроскопии (TEM).

Результаты и обсуждение

Анализ ИК-спектров. ИК-спектральный анализ образца UCAT-SR-110 был проведен с использованием прибора Shimadzu IRAffinity-1 (Япония).

На графике (рис.1) приводится ИК-спектр образца UCAT-SR-120. На вертикальной оси отображен коэффициент пропускания T(%), а на горизонтальной — частота инфракрасного излучения в см⁻¹. В частности, ИК-спектры адсорбента оксида цинка, извлеченного из отходов, были исследованы в диапазоне поглощения 400–4000 см⁻¹ (Рисунок 1).

Рисунок 1. ИК-спектр образца UCAT-SR-120

ИК-спектры содержат важную информацию о колебательных и деформационных модах химических связей в функциональных группах, присутствующих в образце, а также о батохромных и гипсохромных сдвигах функциональных групп относительно исходного образца.

Известно, что ИК-спектр можно разделить на две основные области:

Область отпечатка пальца (400–1500 см⁻¹) – характерна для идентификации отдельных веществ.

Область функциональных групп (1500–4000 см⁻¹) – указывает на наличие и вариации функциональных групп.

Инфракрасный (ИК) спектр образца UCAT-SR-120 показывает широкий пик на 3462.37 см⁻¹, который соответствует -OH группам. Эти гидроксильные группы формируют водородные связи в результате межмолекулярных взаимодействий, что подтверждает наличие водородного связывания. 

Пики на 2362.6 см⁻¹ и 2370.62 см⁻¹ связаны с симметричными (νs) и асимметричными (νas) колебаниями углеродно-кислородных связей в CO₂, адсорбированном из воздуха на поверхности образца.

Пик на 1645.35 см⁻¹ указывает на деформационные колебания карбонат-ионов (CO₃²⁻) или карбоксилатов.

Пик на 1124 см⁻¹ соответствует колебаниям связей Zn–O или Zn–O–Zn, подтверждая структурную организацию частиц оксида цинка. Также сильный пик на 443 см⁻¹ является характерным для колебаний в кристаллической решётке оксида цинка (структура вюрцита, связи Zn–O). Незначительные сдвиги пиков в различных образцах могут указывать на небольшие изменения в кристалличности или размере частиц.

Результаты анализа ИК-спектроскопии образца UCAT-SR-120 подтверждают наличие оксида цинка с характерными пиками, связанными с гидроксильными группами, колебаниями кристаллической решётки и взаимодействиями с CO_2.

Анализ UCAT-SR-120 был проведён с использованием высокоразрешающей трансмиссионной электронной микроскопии (TEM) на приборе Thermo Scientific Talos F200i (S)TEM. Этот электронный микроскоп с полевой эмиссией (напряжение 20–200 кВ) обеспечивает точное 2D и 3D картирование, динамические наблюдения и дифракционные исследования. Анализ энергодисперсионной спектроскопии (EDS) позволил определить состав образца, распределение атомов и картирование элементов. 

Метод TEM обеспечил детальное исследование морфологии поверхности и текстурных свойств оксида цинка. Были получены данные о пористости, распределении минеральных включений и структурной организации. Выбранные образцы были тщательно измельчены и подготовлены для TEM -анализа.

Элементный состав сорбента UCAT-SR-120 был определён, и результаты представлены в табличном варианте на рисунке 2.

Рисунок 2. Элементный состав образца UCAT-SR-120

На рисунке представлена информация об элементном составе образца, включая атомные и массовые доли. В составе образца присутствуют такие элементы, как C, O, Al, Si, S, Ca и Zn. Среди них атомные и массовые доли C, O и Zn значительно выше по сравнению с другими элементами.

На рисунке 3 приводится энергодисперсионный спектр цинк содержащего образца UCAT-SR-120 .

Рисунок 3. Энергодисперсионный спектр образца UCAT-SR-120

Помимо ожидаемого цинка в исследуемом образце энергодисперсионный анализ выявил присутствие других элементов, таких как C, O, Si и Al.

Далее была проведена оценка размеров и формы частиц с использованием TEM. Структура и пористость образцов были изучены на микрофотографиях с разрешением 50 нм и 100 нм (Рисунок 4).

Рисунок 4. Микрофотография UCAT-SR-120

Микрофотография образца UCAT-SR-120 показывает, что частицы обладают овальной, кристаллической и сферической формой, а также отличаются небольшими размерами и выраженной пористостью.

Заключение

Проведенное исследование подтвердило возможность эффективного извлечения наночастиц оксида цинка (ZnO) из отходов импортного катализатора. Разработанная методика кислотной экстракции при 95 °C позволила получить наночастицы ZnO с высокой степенью чистоты и стабильной структурой. Комплексный анализ, включающий инфракрасную (ИК) спектроскопию, трансмиссионную электронную микроскопию (TEM) и энергодисперсионную спектроскопию (EDS), подтвердил присутствие характерных функциональных групп ZnO, высокую однородность частиц, а также их нанодиапазонные размеры. 

Ключевым достижением исследования является демонстрация того, что отходы катализатора могут служить ценным вторичным источником наночастиц оксида цинка. Таким образом, результаты исследования могут стать основой для дальнейшей оптимизации технологии извлечения оксида цинка, разработки новых промышленных решений по переработке катализаторных отходов, а также расширения применения наночастиц ZnO в различных областях науки и техники.

Список литературы:

1. Bitenc M., Orel Z.C. Influence of thermal treatment on the morphology and optical properties of ZnO // Materials Research Bulletin. – 2009. – Vol. 44. – № 2. – P. 381–387.
2. Deng Z., Chen M., Gu G., Wu L. A facile approach to synthesize flower-like ZnO nanostructures and their gas-sensing properties // Journal of Physical Chemistry B. – 2008. – Vol. 112. – № 1. – P. 16–22.
3. Kumar P.T.S., Vinoth-Kumar L., Anilkumar T.V., Ramya C., Reshmi P., Unnikrishnan A.G., Nair S.V., Jayakumar R. Flexible and microporous chitosan hydrogel/nano ZnO composite bandages for wound dressing: in vitro and in vivo evaluation //  ACS Applied Materials and Interfaces. – 2012. – Vol. 4. – № 5. – P. 2618–2629.
4. Lou X., Shen H., Shen Y. A study on gas sensing properties of ZnO thin films // Sensor Transactions Technologies. – 1991. – Vol. 3. – № 1. – P. 1–34.
5. Segets D., Gradl J., Taylor R.K., Vassilev V., Peukert W. Analysis of particle size distributions in nanotechnology // ACS Nano. – 2009. – Vol. 3. – № 7. – P. 1703–1710.
6. Wang X., Ding Y., Summers C.J., Wang Z.L. Large-scale synthesis of six-nanometer-wide ZnO nanobelts // Journal of Physical Chemistry B. – 2004. – Vol. 108. – № 26. – P. 8773–8777.
7. Yang S.J., Park C.R. Synthesis and characterization of carbon-coated ZnO nanostructures // Nanotechnology. – 2007. – Vol. 19. – № 3. – P. 035609.
8. Yuvaraja G., Prasad C., Vijaya Y., Subbaiah M.V. Application of ZnO nanorods as an adsorbent material for the removal of As(III) from aqueous solution: kinetics, isotherms and thermodynamic studies // International Journal of Industrial Chemistry. – 2018. – Vol. 9. – P. 17–25.