Příprava hybridních materiálů na bázi železa a/nebo uhlíku pro environmentální aplikace

Mgr. Petr SLOVÁK

Doctoral thesis

The preparation of carbon based hybrid materials for the environmental applications

Abstract:

Velký vědecký zájem o nanočástice spočívá v jejich unikátních vlastnostech, které jsou způsobeny jejich velikostí na pomezí přechodu mezi krystalem a atomární či molekulární strukturou. V případě Fe0 částic dochází s přechodem do nanorozměrů (dále označovány jako nZVI částice) k takovému nárůstu reaktivity, že prudce reagují již se vzdušným kyslíkem a stávají se tak pyroforické. Proto jsou nZVI částice často využívány v technologiích zaměřených na čištění kontaminovaných vod. Vysoká reaktivita s sebou ale přináší různá úskalí, jako např. ztíženou manipulaci a skladování anebo vysokou tendenci k agregaci, což v důsledku snižuje aplikační potenciál nZVI částic. Eliminace negativních vlastností nZVI částic spolu se zachováním reaktivity byla hlavním tématem této práce. Výzkum probíhal také se zaměřením na převedení dosažených výsledků z laboratoře na reálnou lokalitu. Mezi studované procesy patřila aktivace komerčně dostupných nZVI částic NANOFER STAR (dodavatel NANO IRON s.r.o.), které jsou proti oxidaci chráněny na povrchu tenkou vrstvou oxidů železa. Při této stabilizaci dochází k částečné ztrátě reaktivity, kterou se podařilo omezit procesem aktivace těsně před jejich aplikací. Problém s agregací byl vyřešen v druhé podkapitole syntézou unikátní, nové 3D morfologie, která zůstávala zachována i po odbourání polutantu díky silným feromagnetickým interakcím mezi jednotlivými stavebními kameny své 3D struktury. Dále byl připraven na vzduchu stabilní kompozitní materiál s uhlíkem nZVI-C (třetí podkapitola), který si udržel svou reaktivitu i po jednom roce skladování. Modifikace povrchu a tvorba anorganicko-organické slupky přispěla k dlouhodobé stabilitě při zachování původní reaktivity vstupujícího materiálu (čtvrtá podkapitola). Ve spolupráci se sanačními firmami proběhly dvě úspěšné aplikace v pilotním měřítku (aktivovaných a modifikovaných nZVI částic) na reálných kontaminovaných lokalitách.

Abstract:

Nanoparticles have gained a great deal of scientific interest due to their unique properties, which are given by their size on the border of crystallinity and atomic/molecular structure. In case of zero-valent iron (Fe0) particles, the drop in size into nanodimension (later denoted as nZVI particles) cause incredible amplification of their reactivity, which enables application of nZVI particles in technologies used for contaminated water treatment. Such nZVI particles immediately react even with oxygen from the air (become pyrophoric). This typical feature of the nZVI particles results into certain drawbacks concerning especially manipulation/storage or tendency to aggregation. These drawbacks have a significant impact on the application potential of the nZVI particles and therefore this submitted work was devoted to their elimination simultaneously preserving its beneficial feature the reactivity of the nZVI particles. Aside from this primary focus, the research was also focused on transfer from laboratory to the pilot scale applications. First, the attention was paid to the study of activation of the commercially available nZVI particles NANOFER STAR (NANO IRON Ltd.), which are protected against oxidation by thin iron oxide layer on their surface. This performed stabilization causes a partial loss of reactivity of the nZVI particles, which was regained by the activation process prior to application. Consequential study was devoted to the solution of the aggregation processes of the nZVI particles. For this purpose a unique 3D morphology of nZVI particles having strong ferromagnetic interactions among the building units was designed. The experiments proved that the established 3D structure was preserved even after the performed removal experiments. Third, the submitted study was focused on preparation of air-stable nZVI based hybrid material with carbon (nZVI-C), which had reactivity comparable to bare nZVI particles even after 1 year of storage. Furthermore, modification of the nZVI surface and preparation of the nZVI with inorganic-organic layer was studied. This layer could enhance the stability of reactive iron core against oxidation by the solvent while its direct reactivity is preserved. Based on the obtained results (activated and modified nZVI particles) two site-applications, were performed in cooperation with industrial partners.

Keywords

nanočástice nulamocného železa (nZVI), kompozitní materiály, odbourávání Cu2+, redukce, environmentální aplikace

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 19. 4. 2018

Thesis defence

• Supervisor: prof. RNDr. Radek Zbořil, Ph.D.

PALACKÝ UNIVERSITY OLOMOUC

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Chemistry / Physical Chemistry