Хімія, фізика та технологія поверхні, 2018, 9 (4), 341-352.

Вплив твердих та рідких гідрофобних сполук на характеристики води, локалізованої в адсорбційному шарі гідрофільної компоненти системи



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp09.04.341

V. V. Turov, V. M. Gun'ko, T. V. Krupska, M. T. Kartel

Анотація


Мета роботи полягала в детальному аналізі температурної і міжфазної поведінки води, яка була адсорбована на гідрофільному кремнеземі окремо чи в системах A-300/AM1 та Al2O3/AM1, вихідних та механічно оброблених, які були у різних дисперсійних середовищах: повітря, хлороформ, чистий чи з додаванням ТФОК, методами ЯМР 1Н спектроскопії та кріопорометрії, для визначення впливу гідрофобних компонент системи на адсорбовану воду. Методами ЯМР 1Н спектроскопії та кріопорометрії було вивчено властивості суміші немодифікованого (A-300) та модифікованого (AM1) (1:1) нанокремнеземів, а також Al2O3, на повітрі та у хлороформі, чистому та з додаванням ТФОК. У вихідному композиті взаємодія води з гідрофільним нанокремнеземом (гідратація h = 1.125 г/г) зростає і поверхнева енергія змінюється у 5 разів внаслідок реорганізації води, яка відсутня у cA-300 без АМ1. Після механічної обробки (насипна густина rb» 1.2 г/cм3), енергія взаємодії води з нанокремнеземом зменшується (у три рази в CDCl3 та у 10 разів на повітрі) у порівнянні з необробленим композитом. Ефект CDCl3 є сильнішим для води у необробленій суміші, ніж після її механічної обробки. Було визначено, що вплив гідрофобних компонент у комплексних гідрофобно-гідрофільних системах на посилення зв’язування води з гідрофільними компонентами є загальним явищем.


Ключові слова


гідрофільні та гідрофобні нанооксиди; механічно оброблені гідратовані композити; ЯМР 1Н спектри; ефекти обмеженого простору; організація зв’язаної води; зниження температури замерзання-розмерзання

Повний текст:

PDF (English)

Посилання


1. Somasundaran P. (Ed.) Encyclopedia of Surface and Colloid Science. (Third Edition, Boca Raton: Taylor &Francis,CRC Press, 2015). https://doi.org/10.1081/E-ESCS3

2. Bergna H.E. (Ed.) Colloidal Silica: Fundamentals and Applications. (Salisbury: Taylor & Francis LLC, 2005).

3. Saleh K., Forny L., Guigon P., Pezron I. Dry water: From physico-chemical aspects to process-related parameters. Chem. Eng. Res. Des. 2011. 89(5): 537. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2010.06.005

4. Degussa's «dry water» for cosmetics chemists. Focus Pigm. 2004. 8: 7.

5. Wang W., Bray C.L., Adams D.J., Cooper A.I. Methane Storage in Dry Water Gas Hydrates. J. Am. Chem. Soc. 2008. 130(35): 11608. https://doi.org/10.1021/ja8048173

6. Han Z., Zhang Y., Du Z., Xu F., Li S., Zhang J. New-type gel dry-water extinguishants and its effectiveness. J. Cleaner. Prod. 2017. 166: 590. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2017.08.005

7. Hou J., Zhou W., Bai D., Li S., Han M. Interfacial effect of cyclodextrin inclusion complex on gas adsorption kinetics of dry water emulsion. Colloids Surf. A. 2018. 544: 8. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2018.02.011

8. Taylan O., Berberoglu H., Thermal radiation transport in a fluidized dry water system. J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2013. 120: 104. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2013.01.005

9. Arab D., Kantzas A., Bryant S.L. Nanoparticle stabilized oil in water emulsions: A critical review. J. Petrol. Sci. Eng. 2018. 163: 217. https://doi.org/10.1016/j.petrol.2017.12.091

10. Shpak A.P., Gorbyk P.P. (Eds.) Nanomaterials and Supramolecular Structures. (Dordrecht: Springer, 2010). https://doi.org/10.1007/978-90-481-2309-4

11. Chuiko A.A. (Ed.) Medical chemistry and clinical application of silica. (Kiev: Naukova Dumka, 2003). [in Russian].

12. Gun'ko V.M., Turov V.V., Bogatyrev V.M., Zarko V.I., Leboda R., Goncharuk E.V., Novza A.A., Turov A.V., Chuiko A.A. Unusual properties of water at hydrophilic/hydrophobicinterfaces. Adv. Colloid Interface Sci. 2005. 118(1–3): 125. https://doi.org/10.1016/j.cis.2005.07.003

13. Gun'ko V.M., Turov V.V. Nuclear Magnetic Resonance Studies of Interfacial Phenomena. (Boca Raton: CRC Press, 2013). https://doi.org/10.1201/b14202

14. Gun'ko V.M., Turov V.V., Myronyuk I.F., Goncharuk O.V., Pakhlov E.M., Bezruka N.A., Skwarek E., Janusz W., Blitz J.P. Interfacial phenomena at a surface of partially silylated nanosilica. J. Colloid Interface Sci. 2014. 434: 28–39. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2014.08.008

15. Gun'ko V.M., Turov V.V., Krupska T.V., Pakhlov E.M. Behavior of water and methane bound to hydrophilic and hydrophobic nanosilicas and their mixture. Chem. Phys. Lett. 2017. 690: 25–30. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2017.10.039

16. Gun'ko V.M., Zarko V.I., Leboda R., Chibowski E. Aqueous suspensions of fumed oxides: particle size distribution and zeta potential. Adv. Colloid Interface Sci. 2001. 91(1): 1. https://doi.org/10.1016/S0001-8686(99)00026-3

17. Mitchell J., Webber J.B.W., Strange J.H. Nuclear magnetic resonance cryoporometry. Phys. Rep. 2008. 461(1): 1. https://doi.org/10.1016/j.physrep.2008.02.001

18. Kimmich R. NMR Tomography, Diffusometry, Relaxometry. (Heidelberg: Springer, 1997.)

19. Strange J.H., Rahman M., Smith E.G. Characterization of porous solids by NMR. Phys. Rev. Lett. 1993. 71(21): 3589. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.71.3589

20. Mallamace F., Corsaro C., Broccio M., Branca C., González-Segredo N., Spooren J., Chen S.-H., Stanley H.E. NMR evidence of a sharp change in a measure of local order in deeply supercooled confined water. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2008. 105(35): 12725. https://doi.org/10.1073/pnas.0805032105

21. Frisch M.J., Trucks G.W., Schlegel H.B., Scuseria G.E., Robb M.A., Cheeseman J.R., Scalmani G., Barone V., Mennucci B., Petersson G.A., Nakatsuji H., Caricato M., Li X., Hratchian H.P., Izmaylov A.F., Bloino J., Zheng G., Sonnenberg J.L., Hada M., Ehara M., Toyota K., Fukuda R., Hasegawa J., Ishida M., Nakajima T., Honda Y., Kitao O., Nakai H., Vreven T., Montgomery J.A., Peralta J.E., Ogliaro F., Bearpark M., Heyd J.J., Brothers E., Kudin K.N., Staroverov V.N., Keith T., Kobayashi R., Normand J., Raghavachari K., Rendell A., Burant J.C., Iyengar S.S., Tomasi J., Cossi M., Rega N., Millam J.M., Klene M., Knox J.E., Cross J.B., Bakken V., Adamo C., Jaramillo J., Gomperts R., Stratmann R.E., Yazyev O., Austin A.J., Cammi R., Pomelli C., Ochterski J.W., Martin R.L., Morokuma K., Zakrzewski V.G., Voth G.A., Salvador P., Dannenberg J.J., Dapprich S., Daniels A.D., Farkas O., Foresman J.B., Ortiz J.V., Cioslowski J., Fox D.J. Gaussian 09, Revision D.01, Gaussian. (Inc., Wallingford CT, 2013).

22. Chai J.-D., Head-Gordon M. Long-range corrected hybrid density functionals with damped atom-atom dispersion corrections. Phys. Chem. Chem. Phys. 2008. 10(44): 6615. https://doi.org/10.1039/b810189b

23. Yang K., Zheng J., Zhao Y., Truhlar D.G. Tests of the RPBE, revPBE, τ-HCTHhyb, ωB97X-D, and MOHLYP density functional approximations and 29 others against representative databases for diverse bond energies and barrier heights in catalysis. J. Chem. Phys. 2010. 132(16): 164117. https://doi.org/10.1063/1.3382342

24. Marenich A.V., Cramer C.J., Truhlar D.G. Universal solvation model based on solute electron density and on a continuum model of the solvent defined by the bulk dielectric constant and atomic surface tensions. J. Phys. Chem. B. 2009. 113(18): 6378. https://doi.org/10.1021/jp810292n

25. Stewart J.J.P. MOPAC2016, Stewart Computational Chemistry. 2018.

26. Stewart J.J.P. Optimization of parameters for semiempirical methods VI: more modifications to the NDDO approximations and re-optimization of parameters. J. Mol. Model. 2013. 19(1): 1. https://doi.org/10.1007/s00894-012-1667-x

27. Dennington R., Keith T., Millam J. GaussView, Version 5.0.9, Semichem Inc., Shawnee Mission KS, 2009.

28. Zhurko G.A., Zhurko D.A. Chemcraft (version 1.8, build b536a), 2017, www.chemcraftprog.com.

29. Pettersen E.F., Goddard T.D., Huang C.C., Couch G.S., Greenblatt D.M., Meng E.C., Ferrin T.E. UCSF Chimera – a visualization system for exploratory research and analysis. J. Comput. Chem. 2004. 25(13): 1605. https://doi.org/10.1002/jcc.20084




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp09.04.341

Copyright (©) 2018 V. V. Turov, V. M. Gun'ko, T. V. Krupska, M. T. Kartel