Studium stability funkčních kompozitů s obsahem kovů

Michaela Tokarčíková

Doctoral thesis

Stability study of functional composites with metals content

Abstract:

Předložená práce je zaměřena na stabilitu funkčních kompozitů s obsahem nanočástic oxidů kovů. Testované kompozity jsou na bázi jílového minerálu kaolinitu s obsahem fotoaktivních nanočástic TiO2, ZnO a magnetických nanočástic FexOy. Pro přiblížení chování kompozitů, posouzení jejich stability a sledování mobility vybraných prvků obsažených v kompozitech, byly navrženy laboratorní postupy, které zahrnují testy vyluhovatelnosti ve vodě a v modelových roztocích s rozdílnou hodnotou pH. Stabilita kompozitů byla hodnocena na základě koncentrací vybraných prvků stanovených ve výsledných extraktech a změn ve struktuře kompozitů po testech vyluhovatelnosti pomocí infračervené spektrometrie. Vzájemné souvislosti mezi obsahem nanočástic oxidů kovů a popř. postupem přípravy kompozitu a uvolňováním složek kompozitu do daného prostředí byly zhodnoceny analýzou rozptylu a mnohorozměrnou analýzou – analýzou hlavních komponent a faktorovou analýzou smíšených dat. Testy vyluhovatelnosti kalcinovaného a sušeného kompozitu kaolinit/TiO2 byly, z důvodu vysokých koncentrací hliníku stanovených ve výsledných extraktech, doplněny testy akvatické toxicity a rozšířeny o studium vlivu kalcinační teploty kaolinitu na uvolňování prvků v něm obsažených. Z laboratorních experimentů vyplynulo, že se z kompozitu kaolinit/TiO2 nanočástice TiO2 neuvolňují. Výsledky experimentů prokázaly soudržnost kompozitu s nejvyšším obsahem nanočástic ZnO. Ze statistického hlediska je vliv přítomnosti nanočástic ZnO na povrchu kaolinitu na uvolňování prvků do extrakčních činidel nevýznamný. Magneticky modifikovaný kompozit kaolinit/FexOy si zachoval své magnetické vlastnosti také po testech vyluhovatelnosti a vzhledem k nízkým podílům uvolněných prvků do výsledných extraktů lze kompozit považovat za stabilní v širokém rozmezí hodnot pH. Proto jej lze využít například pro čištění odpadních vod. Vliv přítomnosti nanočástic FexOy na uvolňování prvků z kaolinitu je na základě výsledků statistické analýzy nevýznamný.

Abstract:

Thesis deals with the topic of stability of functional composites with metal oxides content. Studied composites with clay mineral – kaolinite – matrix contained photoactive nanoparticles (TiO2 and ZnO) and magnetically active nanoparticles FexOy. Laboratory methods, including the leaching test of composites in deionized water and in extraction agents with varying initial pH levels, were proposed for the study of the composites behaviour, for the assessment of their stability and monitoring of the mobility of the selected elements present in composites. The stability of the composites was evaluated based on the determination of the elements leached from the materials to the extraction agents and, after the leaching tests, by the assessment of the changes in the composite structure using infrared spectroscopy. Relationships among the metal nanoparticles content, composite preparation process and the percentage of the released elements in the leachates were evaluated by the analysis of variance, Tukey HSD test and multivariate data analysis – Principal component analysis and Factor analysis for mixed data. The leaching tests on the calcined and dried kaolinite/TiO2 composite were supplemented, due to the high aluminium concentration determined in the final extracts, by the aquatic toxicity test and by the study of the influence of kaolinite calcination temperature on leaching of elements present in kaolinite to the extraction agents. The results confirmed a strong binding of the TiO2 nanoparticles on the kaolinite surface. The results also confirmed the stability of the kaolinite/ZnO composite with the highest ZnO nanoparticles content. The results of the statistical analysis confirmed – in accordance with the results of leaching test – that the influence of ZnO nanoparticles presence in kaolinite/ZnO composite is statistically insignificant considering the leaching of the elements from the kaolinite to the extraction agents. Magnetic properties of the modified kaolinite/FexOy composite remained unchanged after the leaching test and from this point of view, the composite can be considered stable in the wide range of pH values. It is, thus, suitable to be used as, for example, an adsorbent in wastewater treatment. Statistical analysis results did not prove any influence of FexOy nanoparticles presence on the release of the elements from the kaolinite.

Keywords

kompozitní materiály, oxidy kovů, kaolinit, kalcinace, stabilita, test vyluhovatelnosti

Keywords

composite materials, metal oxides, kaolinite, calcination, stability, leachig test

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 22. 9. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 2. 11. 2017
• Supervisor: Jana Seidlerová
• Reader: Zdeněk Klika, Pavla Čapková, Věra Valovičová

VŠB - Technical University of Ostrava

Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství

Doctoral programme / field:
Metalurgie / Chemická metalurgie