ХІМІЯ, ФІЗИКА ТА ТЕХНОЛОГІЯ ПОВЕРХНІ

ISSN 2518-1238 (Online), ISSN 2079-1704 (Print)

Вуглецеві матеріали з графітоподібною структурою мають найбільшу термічну стійкість за неокисного середовища, достатню конструкційну міцність, легко обробляються.

 Саме тому вони мають широке застосування в різних галузях техніки. Існують два методи одержання таких матеріалів: піроліз (карбонізація) вуглеводнів та переробка природного графіту - так звана «технологія терморозширеного графіту» (ТРГ), яка полягає в послідовних реакціях інтеркалювання, гідролізу та термообробки природного графіту. При цьому відбувається  модифікація поверхні частинок ТРГ, що надає їм здатності до пресування та прокатування на вальцях з утворенням щільних матеріалів.

Для виробництва ТРГ, із якого одержують ущільнюючі матеріали для обладнання підприємств загальнопромислового призначення (паливно-енергетичного комплексу, нафтохімічної промисловості, комунальних господарств тощо), використовують природний графіт із вмістом вуглецю 99.0–99.5 мас. %. В той час як для обладнання атомних електростанцій потрібні матеріали з ТРГ так званої «атомної чистоти», в яких вміст вуглецю має бути не нижче 99.85 мас. %.

Тому метою роботи є розробка методики отримання терморозширеного графіту високої чистоти шляхом електрохімічного окиснення та доочистки флотаційно збагаченого графіту. Процес одержання складає два етапи: електрохімічне інтеркалювання графіту концентрованою сульфатною кислотою з подальшим гідролізом, і хімічна доочистка з використанням очищаючих реагентів - біфториду амонію та Трилону Б. Така доочистка електрохімічно окисненого графіту дозволяє одержати ТРГ високої чистоти з вмістом вуглецю 99.94–99.96 мас. %.

Для встановлення закономірностей взаємодії Трилону Б з іонами металів, що входять до складу домішок графіту, було проведено квантовохімічне моделювання цих процесів.

Енергетичний ефект взаємодії катіона заліза (ІІІ) за абсолютною величиною більший (–969.1 кДж/моль), ніж у випадку з катіоном алюмінію (–748.3 кДж/моль) як у водному середовищі, так і у адсорбованому стані на поверхні графенової площини (–816.9 для Fe³⁺ і –621.2 кДж/моль для Al³⁺).

Незалежно від природи катіона, його вилучення Трилоном-Б є більш енергетично вигідним з водного розчину, ніж з адсорбованого на поверхні графеноподібної площини стану.

Kang F., Zheng Y.-P., Wang H.-N., Nishi Y., Inagaki M. Effect of preparation conditions on the characteristics of exfoliated graphite. Carbon. 2002. 40(9): 1575.

Asghar H.M.A., Hussain S.N., Sattar H., Brown N.W., Roberts E.P.L. Potential Graphite Materials for the Synthesis of GICs. Chem. Eng. Commun. 2015. 202(4): 508.

Abdillah O.B., Floweri O., Mayangsari T.R., Santosa S.P., Ogi T., Iskandar F. Effect of H2SO4/H2O2 pre-treatment on electrochemical properties of exfoliated graphite prepared by an electro-exfoliation method. RSC Adv. 2021. 11(18): 10881.

Inagaki M., Iwashita N., Kouno E. Potential change with intercalation of sulfuric acid into graphite by chemical oxidation. Carbon. 1990. 28(1): 49.

Goudarzi R., Hashemi Motlagh G. The effect of graphite intercalated compound particle size and exfoliation temperature on porosity and macromolecular diffusion in expanded graphite. Heliyon. 2019. 5(10): e02595.

Liu T., Zhang R., Zhang X., Liu K., Liu Y., Yan P. One-step room-temperature preparation of expanded graphite. Carbon. 2017. 119: 544.

Hristea G., Budrugeac P. Characterization of exfoliated graphite for heavy oil sorption. J. Therm. Anal. Calorim. 2008. 91: 817.

Wang L., Fu X., Chang E., Wu H., Zhang K., Lei X., Yang Y. Preparation and Its Adsorptive Property of Modified Expanded Graphite Nanomaterials. J. Chem. 2014. 2014(3): 1.

Çalın Ö., Kurt A., Çelik Y. Influence of expansionconditions and precursor flake size on porous structure of expanded graphite. Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures. 2020. 28(8): 611.

Sementsov Yu.I., Revo S.L., Ivanenko K.O., Hamamda S. Expanded Graphite and Its Composites. (Kyiv: PH “Akademperiodyka”, 2019).

Evans R.J., Rustad J.R., Casey W.H. Calculating Geochemical Reaction Pathways - Exploration of the Inner-Sphere Water Exchange Mechanism in Al(H2O)63+(aq) + nH2O with ab Initio Calculations and Molecular Dynamics. J. Phys. Chem. A. 2008. 112(17): 4125.

Esmaeilbeig M.A., Khorram M., Ayatollahi S., Zolghadr A.R. On the hydrolysis of ironions: DFT-based molecular dynamic perspective. J. Mol. Liq. 2022. 367(Part A): 120323.

Zheng X., Wu X., Zhang L., Kang J., Zhou M., Zhong Y., Zhang J., Wang L. High spin Fe3+-related bonding strength and electron transfer for sensitive and stable SERS detection. Chem. Sci. 2022. 13(42): 12560.

Qinqin Yuan, Xiang-Tao Kong, Gao-Lei Hou, Ling Jiang, Xue-Bin Wang. Photoelectron spectroscopic and computational studies of [EDTA·M(III)]− complexes (M = H3, Al, Sc, V–Co). Phys. Chem. 2018. 20(29): 19458.

Cendic M., Deeth R.J., Meetsma A., Garribba E., Sanna D., Matovic Z.D. Chelating properties of EDTA-type ligands containing six-membered backbone ring toward copper ion: Structure, EPR and TD-DFT evaluation. Polyhedron. 2017. 124: 215.

Foreman M.M., Weber J.M. Ion Binding Site Structure and the role of water in alkaline earth EDTA complexes. J. Phys. Chem. Lett. 2022. 13(36): 8558.

Barca G., Bertoni C., Carrington L. Recent developments in the general atomic and molecular electronic structure system. J. Chem. Phys. 2020. 152: 154102.

Lee C., Yang W., Parr R.G. Development of the Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density. Phys. Rev. B. 1988. 37(2): 785.

Becke A.D. Density functional thermochemistry. III. The role of exact exchange. J. Chem. Phys. 1993. 98(7): 5648.

Grimme S., Ehrlich S., Goerigk L. Effect of the damping function in dispersion corrected density functional theory. J. Comput. Chem. 2011. 32(7): 1456.

Grimme S. Density functional theory with London dispersion corrections. WIREs Comput. Mol. Sci. 2011. 1(2): 211.

Cossi M., Barone V., Cammi R., Tomasi J. Ab initio study of solvated molecules: a new implementation of the polarizable continuum model. Chem. Phys. Lett. 1996. 255(4–6): 327.

Tomasi J., Mennucci B., Cammi R. Quantum Mechanical Continuum Solvation Models. Chem. Rev. 2005. 105(8): 2999.

Chernysh I.G., Karpov I.I., Prikhod’ko G.P., Shai V.M. Physicochemical properties of graphite and its compounds. (Kyiv: Naukova Dumka, 1990). [in Russian].

Eckert S., Mascarenhas E.J., Mitzner R., Jay R.M., Pietzsch A., Fondell M., VazdaCruz V., Föhlisch A. From the Free Ligand to the Transition Metal Complex: FeEDTA− Formation Seen at Liga nd K-Edges. Inorg. Chem. 2022. 61(27): 10321.

Roger Hart J. Ethylenediaminetetraacetic acid and related chelating agents. Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. 2003. 13: 573.