Исследование адсорбции фосфат-ионов на диоксиде титана

УДК: - 544.723

ИССЛЕДОВАНИЕ АДСОРБЦИИ ФОСФАТ-ИОНОВ НА ДИОКСИДЕ ТИТАНА

Авдащенко В.Н., Кузнецов С.В.

Проанализированы результаты адсорбции фосфат-ионов на диоксиде титана при различных значениях pH. Выявлена форма фосфат-иона, в которой он адсорбируется на поверхности. Показано, что фосфат-ион смещает точку нулевого заряда поверхности диоксида титана.

Ключевые слова: адсорбция, диоксид титана, двойной электрический слой, точка нулевого заряда.

Введение.

В настоящее время для изготовления имплантантов и хирургических инструментов широко используется металлический титан. Установлено, что данный материал имеет низкое сродство к биологической ткани. Но если поверхность титана модифицировать путем нанесения на нее фосфата кальция, то сродство к живой ткани значительно возрастает [1,2]. На сегодняшний день существуют разнообразные способы формирования кальций-фосфатных покрытий на поверхности металлов. Наиболее распространенный - это плазменное напыление, но данный способ технологически сложен и дорог. Поэтому актуальной является разработка альтернативных методов нанесения на титан фосфатов кальция. Одним из них является адсорбционный метод.

Цель работы: исследование зависимости адсорбции фосфат-иона на диоксиде титана от pH раствора.

Методика эксперимента.

Объектом исследования был выбран диоксид титана (анатаз) квалификации «осч». В качестве фонового электролита использовался нитрат натрия с концентрацией 0,1 моль/л. Фосфат-содержащий раствор с концентрацией 0,01 моль/л получали растворением необходимого количества фосфата натрия в воде. Значения pH раствора регулировались добавлением концентрированной азотной кислоты или насыщенного раствора гидроксида натрия. В ходе эксперимента pH изменяли от 7 до 12 с шагом 1. Используемые в работе реактивы имеют квалификацию не ниже «хч». Все растворы готовили на бидистиллированной воде. Значения pH растворов устанавливали с использованием рН-метра рН-160МИ (электрод ЭСК 10-603рН).

После установки необходимого значения pH с помощью дозатора отбирали пробу объемом 5 мл и присыпали в нее навеску диоксида титана массой 0,3г. Для установления равновесия в системе «оксид-раствор» пробы выдерживали 4 часа при периодическом встряхивании (время выдерживания установлено в предварительном эксперименте). Исходную и остаточную концентрацию фосфат-ионов измеряли косвенным методом по меди с использованием полярографа АВС 1.1. Количество адсорбировавшегося фосфата рассчитывали как разницу между исходной и остаточной массами ионов.

Результаты и их обсуждение.

С использованием данных потенциометрического титрования и значений констант равновесия фосфорной кислоты проведен расчет распределения фосфат-ионов в растворе в зависимости от величины pH (рис.1).

Рис.1. Зависимость относительной доли распределения различных ионов фосфорной кислоты от pH:

1 - Н3Р04; 2 - Н2РОА ; 3 - НРО2 ; 4 - РОъ~; 5 - кривая титрования 1М Н3Р041М раствором КаОИ.

На рис. 2 представлены экспериментальные данные адсорбции фосфат-ионов на диоксиде титана. Щелочная область pH была выбрана исходя из проведенных ранее исследований адсорбции катионов кальция на диоксиде титана [3-5], согласно которым, катион кальция адсорбируется в щелочной области.

Из анализа графика следует, что максимум адсорбции фосфат-иона приходится на значе рН=8-9, что говорит о том, что адсорбция протекает, преимущественно, в виде ионов HPO^ .

Рис.2. Зависимость доли адсорбированных фосфат-ионов на диоксиде титана от pH: 1 - НзР04; 2 - Н2PO4 ; 3 - HPO42 ; 4 -P0 3 ; 5 - кривая адсорбции фосфат-иона (точки - экспериментальные данные, линия - полином 3-ей степени).

Анализ экспериментальных данных позволил сделать вывод относительно влияния фосфат-иона на смещение точки нулевого заряда (рН0) диоксида титана. В работах [6-8] было показано, что при рН<рН0 поверхность диоксида титана имеет положительный заряд, возникающий за счет адсорбции ионов водорода, а при рН>рН0 - отрицательный за счет адсорбции гидроксид-ионов. Методом присыпания установлено, что точка нулевого заряда анатаза находится в районе рН=6,5.

Согласно нашим исследованиям по влиянию адсорбции фосфат-иона на равновесное значение pH раствора, результаты которых представлены на рис.3, адсорбция фосфат-ионов сопряжена с повышением pH среды. Данный факт дает основание полагать, что адсорбция сопровождается анионным обменом с участием гидроксильных групп. И результатом адсорбции фосфат-ионов становится смещение точки нулевого заряда диоксида титана до значения рН=7,5.

Рис.3. Влияние адсорбции фосфат-иона на равновесное значение pH раствора в системе оксид титана (IV) - раствор электролитов: 1 - без добавки фосфат-иона; 2 - в присутствии 0,01 М Ка3Р04.

На основании анализа экспериментальных данных можно предложить следующую схему процесса адсорбции:

3TiO2+ 2H2O + HPO + 3 е

-> (TiO)3PO4 + 5OH

Выводы.

1. Получены данные по адсорбции фосфат-ионов на диоксиде титана.

2. Выявлена зависимость адсорбции фосфат-ионов от pH.

3. На основании анализа экспериментальных данных установлено, что фосфат адсорбируется преимущественно в виде частиц HPO4 .

4. Установлено, что фосфат-ион смещает точку нулевого заряда оксида с рН=6,5 до рН=7,5.

Analyzed the results of adsorption of phosphate ions on titanium dioxide at different pH values. Identified form of phosphate ion, in which it is adsorbed on the surface. It is shown that the phosphate ion shifts the point of zero charge of the surface of titanium dioxide.

The key word: adsorption, titanium dioxide, an electric double layer, the point of zero charge.

Список литературы

1. Марри P., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. Биохимия человека: В 2-х томах, Т.2. Пер. с англ.: М.: Мир, 1993.415 с., ил.;

2. Баринов С.М., Комлев B.C. Биокерамика на основе фосфатов кальция. М.: Наука, 2005, 204 с.;

3. Авдащенко В.Н., Горичев И.Г., Кузнецов С.В. Изучение влияния pH на адсорбцию кальция на диоксиде титана // Актуальные проблемы естественных наук, 2009. С. 65-71.;

4. Авдащенко В.Н. Исследование адсорбции катионов кальция на диоксиде титана. // Материалы международной научно-практической конференции «Современная биотехнология: фундаментальные проблемы, инновационные проекты и бионанотехнология».Брянск: Издательство ООО «Ладомир», 2010. 216с. С. 144-147.;

5. Авдащенко В.Н. Получение биосовместимых покрытий на титане из раствора. // Материалы международной научно-практической конференции «Достижения молодых ученых в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании»: [Текст] + [Электронный ресурс] / под ред. И.А. Лагерева. Брянск: БГТУ, 2010.274с. С. 177-178.;

6. Артамонова И.В., Горичев И.Г., Изотов А.Д., Пичугина Н.М., Русакова С.М. / Моделирование адсорбции ионов водорода на поверхности ТЮ2 // ХЫУ Всероссийская конференция по проблемам математики, информатики, физики, химии. Секция неорганической химии: Сборник. Тезисы докладов. М.: РУДН, 2008 г. С. 90.;

7. Артамонова И.В., Горичев И.Г., Изотов А.Д., Степанов В.М., Русакова С.М. / Изучение кислотно-основных характеристик ТЮ2 // ХЫУ Всероссийская конференция по проблемам математики, информатики, физики, химии. Секция неорганической химии: Сборник. Тезисы докладов. М.: РУДН, 2008 г.С. 4;

8. Русакова С.М., Артамонова И.В., Горичев И.Г. / Оценка адсорбционных свойств ТЮ2 на основе изучения кислотно-основных характеристик // Материалы 65-ой Международной научнотехнической конференции «Автотракторостроение-2009». Книга 8 (Секция 8. Наноматериалы и нанотехнологии в автотракторостроении), Москва, МГТУ «МАМИ», 2009. С. 21-26;

Об авторах

Авдащенко В.Н. - аспирант Брянского государственного университета имени академика И.Г. Петровского.

Кузнецов С.В. - доцент Брянского государственного университета имени академика И.Г. Петровского.