Aplikovaná mineralogie

Specializace skupin:

Materiály pro tvorbu a ochranu životního prostředí

doc. Ing. Barbora Doušová, CSc.
Ing. Eva Bedrnová (PGS)
Ing. Kateřina Maxová

Zeolity

Ing. David Koloušek, CSc.
Ing. Lukáš Pilař, Ph.D.

Podvojné vrstevnaté hydroxidy a směsné oxidy

prof. Ing. František Kovanda, CSc.
Ing. Michaela Dvořáková, Ph.D.
Ing. Timur Babii

Materiály pro tvorbu a ochranu životního prostředí

Některé anorganické materiály se díky své struktuře a sorpčním vlastnostem používají pro odstraňování toxických látek nežádoucích v životním prostředí. Takovými materiály jsou jílové minerály, oxidy a hydroxidy železa nebo zeolity.

Záchyt toxických látek ve vodách a půdách

Některé anorganické materiály se díky své struktuře a sorpčním vlastnostem používají k odstraňování toxických látek nežádoucích v životním prostředí. Takovými materiály jsou jílové minerály, oxidy a hydroxidy železa nebo zeolity, ale také biosorbenty, např. biochar.

Jaké toxické látky zkoumáme?

Především arsen, antimon a selen, jejich geochemické vlastnosti, stabilitu ve vodách a půdách, transport životním prostředím. 

Příznaky arsenikózy

Sorbenty pro dekontaminační procesy

K dekontaminaci zatížených oblastí využíváme přírodní materiály na bázi oxidů železa, hliníku a manganu, ale především aluminosilikáty (jílové minerály) v původní i modifikované formě. Tyto materiály se pak testují jako selektivní sorbenty vhodné k odstraňování toxických látek z půd a vod. Nově zkoumáme také biologické sorbenty (biochar), které slibují perspektivní, levné a ekologické řešení v ochraně prostředí. Další část výzkumu je zaměřena na hledání optimálních podmínek dekontaminace konkrétního zatíženého systému a navržení odpovídající sanační technologie.

Původní a modifikované jílové sorbenty

Mechanismus vazby Fe k povrchu jílové matrice

 Další část výzkumu je zaměřena na hledání optimálních podmínek dekontaminace konkrétního zatíženého systému a navržení odpovídající sanační technologie.

Průsaky kyselých důlních vod v Kutnohorském revíru (vysoké koncentrace arsenu a železa)

 Jaké analytické metody využíváme?

Koncentrace arsenu, antimonu a selenu měříme metodou Atomové fluorescenční spektrometrie s generací hydridů (HG-AFS) na přístroji PSA 10.055 Millennium Excalibur (výrobce PSAnalytical, Kent, UK), který umožňuje stanovit stopové koncentrace těchto hydridotvorných prvků v limitu detekce 
10-9 g/l.

Semikvantitativní analýzu pevných vzorků provádíme metodou rentgenové fluorescenční spektroskopie (XRF) na energiově disperzním spektrometru Rigaku NEX QC (výrobce Applied Rigaku Technologies, Inc., Austin, TX, USA) který umožňuje stanovení prvků od sodíku (11Na) po uran (92U) v pevných látkách, kapalinách, prášcích a slitinách

Zeolity

Zeolity jsou krystalické hydratované aluminosilikáty alkalických kovů a kovů alkalických zemin. Základem struktury zeolitů je aniontový skelet T-atomů Si a Al tetraedricky koordinovaných atomy kyslíku, přičemž z elektrostatických důvodů není možná vazba Al-O-Al. Tetraedry ve struktuře tvoří vícečetná spojení, čímž vznikají velké dutiny propojené kanály. Neskeletární kationty nejsou ve struktuře zeolitů pevně vázány a mohou být za určitých podmínek vyměňovány za jiné. Zeolity jsou proto hojně využívány v iontově-výměnných procesech, mají jedinečné vlastnosti jako sorbenty a molekulární síta a hrají významnou roli v heterogenní katalýze. Zeolity se vyskytují v přírodních nalezištích a řada jich byla připravena synteticky.

Struktura zeolitu

Na Ústavu chemie pevných látek byla vyvinuta technologie syntézy zeolitů z popílků a nově in situ v geopolymerních směsích (alkalicky aktivované aluminosilikáty). Byla ověřena řada možností využití takto připravených zeolitů při separaci kationtů těžkých kovů, amonných kationtů a radioaktivních izotopů z odpadních vod.

Čím se zabýváme?:

• příprava tzv. geopolymerních zeolitů (zeolity A,X a P) z cihelných obrusů;
• separace vody ze systému voda-ethanol (příprava absolutního alkoholu);
• ovlivňování senzorických vlastností vína přírodními a syntetickými zeolity;
• recirkulační systémy určené pro chov ryb.

Podvojné vrstevnaté hydroxidy a směsné oxidy

Podvojné vrstevnaté hydroxidy, známé také jako sloučeniny typu hydrotalcitu nebo aniontové jíly, tvoří technicky zajímavou skupinu anorganických materiálů využitelnou v řadě praktických aplikací. Jejich chemické složení lze vyjádřit obecným vzorcem M^II_1-xM^III_x(OH)₂A^n-_x/n·yH₂O, kde M^II a M^III značí dvojmocné a trojmocné kationty kovů a A^n- n-mocný anion. Tyto sloučeniny mají vrstevnatou krystalovou strukturu, v níž se střídají kladně nabité hydroxidové vrstvy [M^II_1-xM^III_x(OH)₂]^x+ s vrstvami složenými z aniontů a molekul krystalové vody. Hodnota x udává míru zastoupení trojmocných kationtů v hydroxidových vrstvách a obvykle leží v rozmezí 0,20 až 0,33. Podvojné vrstevnaté hydroxidy vykazují aniontově-výměnné vlastnosti, takže anionty vázané poměrně slabě v prostoru mezi hydroxidovými vrstvami mohou být za určitých podmínek vyměněny za jiné. Při středně vysokých teplotách (přibližně do 500 °C) se podvojné vrstevnaté hydroxidy rozkládají za vzniku směsných oxidů kovů M^II a M^III. Při kontaktu takto připravených směsných oxidů s vodnými roztoky dochází k jejich rehydrataci, přičemž se obnovuje původní vrstevnatá struktura a do prostoru mezi hydroxidovými vrstvami se zabudují anionty přítomné v roztoku. Tuto unikátní vlastnost podvojných vrstevnatých hydroxidů lze využít k interkalaci různých aniontů nebo polárních molekul do mezivrství, případně také k odstraňování nežádoucích složek z roztoků. Zajímavou cestu pro interkalaci složek nerozpustných ve vodě představuje metoda obnovení struktury z koloidní disperze vzniklé delaminací podvojných vrstevnatých hydroxidů ve vhodném rozpouštědle. Často používaný skupinový název “sloučeniny typu hydrotalcitu” je odvozen od minerálu hydrotalcitu (Mg₆Al₂(OH)₁₆CO₃·4H₂O). Byla popsána řada dalších minerálů s analogickou krystalovou strukturou a synteticky lze připravit mnoho sloučenin s různě kombinovanými kationty M^II a M^III v hydroxidových vrstvách a různými anionty interkalovanými v mezivrství.

Struktura podvojných vrstevnatých hydroxidů

Syntetický hydrotalcit se komerčně používá při výrobě a zpracování polymerů, zejména jako součást stabilizačních systémů pro zpracování PVC a jako neutralizační aditivum při zpracování polyolefinů. Podvojné vrstevnaté hydroxidy lze využít také jako nanoplniva při přípravě nanokompozitních polymerů, kdy poměrně malé množství anorganických nanočástic rozptýlených v polymeru významně zlepšuje jeho vlastnosti. Ve farmacii se hydrotalcit používá jako antacidum, zkoumány jsou také možnosti využití podvojných vrstevnatých hydroxidů jako nosičů aktivních farmaceutických substancí. Velmi široké využití nacházejí podvojné vrstevnaté hydroxidy v heterogenní katalýze, především jako prekurzory pro přípravu katalyticky aktivních směsných oxidů. Aniontově-výměnné vlastnosti sloučenin typu hydrotalcitu a schopnost obnovit původní vrstevnatou krystalovou strukturu během rehydratace produktů jejich tepelného rozkladu lze využít v dekontaminčních procesech. Podvojné vrstevnaté hydroxidy často slouží také jako anorganické hostitelské struktury pro interkalaci různých aniontů nebo molekul, což umožňuje přípravu hybridních materiálů se zajímavými fyzikálními a chemickými vlastnostmi.

Čím se zabýváme

Příprava prekurzorů a směsných oxidů pro heterogenní katalýzu

Výzkum je zaměřen na přípravu podvojných vrstevnatých hydroxidů a jiných prekurzorů požadovaného složení a studium vzniku a přeměn oxidových fází v závislosti na podmínkách jejich tepelného zpracování. Zabýváme se rovněž depozicí prekurzorů a směsných oxidů na kovové a keramické nosiče. Připravené materiály jsou dále studovány jako katalyzátory pro odstraňování plynných polutantů, zejména těkavých organických látek.

Příprava podvojných vrstevnatých hydroxidů interkalovaných organickými složkami.

Výzkum je zaměřen na přípravu hostitelských struktur a jejich interkalaci organickými anionty nebo molekulami, zejména aktivními farmaceutickými substancemi v rámci vývoje nových pevných lékových forem. Podvojné vrstevnaté hydroxidy interkalované organickými složkami jsou studovány také pro využití v jiných aplikacích, např. při přípravě nanokompozitních polymerů nebo fotoaktivních materiálů. Zabýváme se rovněž přípravou dalších organicko-anorganických hybridních materiálů.

Nosičový katalyzátor s aktivní vrstvou směsného oxidu Co-Mn-Al vzniklého tepelným rozkladem podvojného vrstevnatého hydroxidu připraveného na anodicky oxidovaném hliníkovém sítě

Uspořádání interkalovaných molekul paracetamolu v mezivrství podvojného vrstevnatého hydroxidu