Хімія, фізика та технологія поверхні, 2019, 10 (2), 118-134.

Вплив способу іммобілізації β-циклодекстрину на сорбційні властивості модифікованих кремнеземів



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp10.02.118

L. A. Belyakova, D. Yu. Lyashenko, N. V. Roik, I. M. Trofymchuk, O. M. Shvets

Анотація


Метою даної роботи є вивчення впливу способу іммобілізації β-циклодекстрину на сорбцію бензойної кислоти з водних розчинів високодисперсними аморфними кремнеземами. Кремнеземи з великою питомою поверхнею, високою реакційною здатністю функціональних груп, гідролітичною, хімічною і радіаційною стабільністю широко використовуються як оксидні матриці для синтезу нових матеріалів із заданою сорбційною специфічністю. Іммобілізація на поверхні органічних сполук, які утворюють комплекси типу «ключ - замок» або «господар - гість», є одним з ефективних способів надання кремнезему сорбційної спорідненості до заданих речовин. Бензойну кислоту і її функціональні похідні використовують у синтезі гербіцидів, пестицидів, полімерів, консервантів, смол, пластифікаторів, барвників, ліків і косметичних засобів. Вони мають шкідливий вплив на живі організми навіть при низьких концентраціях у воді, тому вилучення слідових кількостей ароматичних органічних речовин з об'єктів водного басейну є важливим завданням екологічної науки.

Синтезовано адсорбційно та хімічно модифіковані β-циклодекстрином кремнеземи аеросил А-300, силохром С-120 і силікагель КСКГ-4. За допомогою елементного, хімічного і термогравіметричного аналізу, рН-метрії, ІЧ-спектроскопії, низькотемпературної адсорбції-десорбції азоту, спектрофотометрії та сорбційних вимірювань охарактеризовано будову і фізико-хімічні властивості одержаних функціональних матеріалів. Виявлено збільшення кислотності силанольних груп в ряду А-300 < С-120 < КСКГ-4 зростання впорядкованості структури аморфних кремнеземів. Встановлено підвищення сорбційної спорідненості модифікованих кремнеземів до бензойної кислоти на два порядки, а коефіцієнтів розподілу - в 30-150 разів. Результати вивчення сорбції бензойної кислоти проаналізовано за допомогою кінетичної моделі Лагергрена і моделей рівноважної адсорбції Ленгмюра та Фрейндліха. Ідентифіковано процеси, що відбуваються при контакті β-циклодекстринвмісних кремнеземів з розчинами бензойної кислоти. Встановлено, що десорбція β-циклодекстрину перешкоджає утворенню комплексів включення у поверхневому шарі кремнеземів. Не знайдено кореляції між пористою структурою кремнеземів і міцністю утримування β-циклодекстрину на їх поверхні. Продемонстровано можливість використання хімічно модифікованих β-циклодекстрином кремнеземів для вилучення бензойної кислоти та її функціональних похідних з водних розчинів, у тому числі в циклічному режимі сорбція-десорбція.


Ключові слова


кремнезем; поверхня; модифікування; β-циклодекстрин; бензойна кислота; сорбція

Повний текст:

PDF (Русский)

Посилання


1. Iler R.K. The Chemistry of Silica: Solubility, Polymerization, Colloid and Surface Properties and Biochemistry of Silica. (New York: John Wiley & Sons, 1979).

2. Kiselev A.V., Dreving V.P. Experimental Methods in Adsorption and Molecular Chromatography. (Moscow: Moscow University Publ., 1973). [in Russian].

3. Vansant E.F., Van der Voort P., Vrancken K.C. Characterization and Chemical Modification of the Silica Surface. (Amsterdam: Elsevier, 1995). https://doi.org/10.1016/S0167-2991(06)81508-9

4. Chuiko A.A (Ed.) Medical Chemistry and Clinical Application of Silicon Dioxide. (Kyiv: Naukova Dumka, 2003). [in Russian].

5. Kiselev A.V., Lygin V.I. Infrared Spectra of Surface Compounds. (New York, Toronto: John Wiley & Sons, 1975).

6. Tertykh V.A., Belyakova L.A. Chemical Reactions Involving Silica Surface. (Kyiv: Naukova Dumka, 1991). [in Russian].

7. Laskorin B.N., Strelko V.V., Strazhesko D.N., Denisov V.I. Sorbents Based on Silica in Radiochemistry. Chemical Properties. Application. (Moscow: Atomizdat, 1977). [in Russian].

8. Unger K.K. Porous Silica. Its Properties and Use as Support in Column Liquid Chromatography. (Amsterdam: Elsevier, 1979).

9. Steed J.W., Atwood J.L. Supramolecular Chemistry. (Chichester: John Wiley & Sons Ltd, 2000).

10. Von Lehn J.-M. Supramolecular Chemistry. Concepts and Perspectives. (Weinheim: VCH Verlagsgesellschaft, 1995). https://doi.org/10.1002/3527607439

11. Lisichkin G.V. Chemistry of Grafted Surface Compounds. (Moscow: Fizmatlit, 2003). [in Russian].

12. Sadegh H., Ali. G.A.M., Gupta V.K., Makhlouf A.S.H., Shahryari-ghoshekandi R., Nadagouda M.N., Sillanpää M., Megiel E. The role of nanomaterials as effective adsorbents and their applications in wastewater treatment. J. Nanostruct. Chem. 2017. 7(1): 1. https://doi.org/10.1007/s40097-017-0219-4

13. Belyakova L.A., Shvets O.M., Lyashenko D.Yu. Nanosized centers for mercury(II) ions adsorption on a surface of modified silica. Cent. Eur. J. Chem. 2008. 6(4): 581. https://doi.org/10.2478/s11532-008-0068-6

14. Roik N.V., Belyakova L.A. Interaction of supramolecular centers of silica surface with aromatic amino acids. J. Colloid Interface Sci. 2011. 362(1): 172. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2011.05.085

15. Shvets O.M., Belyakova L.A. Synthesis, characterization and sorption properties of silica modified with some derivatives of β-cyclodextrin. J. Hazard. Mater. 2015. 283: 643. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2014.10.012

16. Trofymchuk I.M., Roik N.V., Belyakova L.A. Structural variety and adsorptive properties of mesoporous silicas with immobilized oligosaccharide groups. Nanoscale Res. Lett. 2017. 12(1): 307. https://doi.org/10.1186/s11671-017-2072-2

17. Roik N.V., Belyakova L.A., Trofymchuk I.M., Dziazko M.O., Oranska O.I. Mesoporous silicas with covalently immobilized β-cyclodextrin moieties: synthesis, structure, and sorption properties. J. Nanopart. Res. 2017. 19(9): 317. https://doi.org/10.1007/s11051-017-3999-z

18. Azrague K., Pradines V., Bonnefille E., Claparols C., Maurette M.T., Benoit-Marquie F. Degradation of 2,4-dihydroxybenzoic acid by vacuum UV process in aqueous solution: kinetic, identification of intermediates and reaction pathway. J. Hazard. Mater. 2012. 237-238: 71. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2012.07.046

19. Tao Y., Han L., Han Y., Liu Z. A combined experimental and theoretical analysis on molecular structure and vibrational spectra of 2,4-dihydroxybenzoic acid. Spectrochim. Acta A. 2015. 137: 1078. https://doi.org/10.1016/j.saa.2014.08.151

20. Vecchio S., Brunetti B. Thermochemical study of 2,4-, 2,6- and 3,4-dihydroxybenzoic acids in the liquid phase using a TG apparatus. Thermochim. Acta. 2011. 515: 84. https://doi.org/10.1016/j.tca.2011.01.001

21. Carrott P.J.M., Marques L.M., Ribeiro Carrott M.M.L. Core-shell polymer aerogels prepared by co-polymerisation of 2,4-dihydroxybenzoic acid, resorcinol and formaldehyde. Microporous Mesoporous Mater. 2012. 158: 170. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2012.03.040

22. McLachlan J., Craigie J.S. Antialgal activity of some simple phenols. J. Phycol. 1966. 2(4): 133. https://doi.org/10.1111/j.1529-8817.1966.tb04609.x

23. Chou C.-H. Comparative phytotoxic nature of leachate from four subtropical grasses. J. Chem. Ecol. 1989. 15(7): 2149. https://doi.org/10.1007/BF01207445

24. Benfeito S., Rodrigues T., Garrido J., Borges F., Garrido E.M. Host-guest interaction between herbicide oxadiargyl and hydroxypropyl-β-cyclodextrin. The Scientific World Journal. 2013. 13: 1. https://doi.org/10.1155/2013/825206

25. Belyakova L.A., Il'in V.G. Ion-exchange properties of crystalline polysilicic acids. Theor. Exp. Chem. 1976. 11(3): 278. https://doi.org/10.1007/BF00525967

26. Helfferich F.G. Ion Exchange. (New York: McGraw-Hill, 1962).

27. Schindler G.K., Kamber H.R. Die Acidität von Silanolgruppen. Vorläufige Mitteillung. Helv. Chim.Acta. 1968. 51(7): 1781. https://doi.org/10.1002/hlca.19680510738

28. Gupta S.S., Bhattacharyya K.G. Adsorption of Ni(II) on clays. J. Colloid Interface Sci. 2006. 295(1): 21. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2005.07.073

29. Langmuir I. The adsorption of gases on plane surfaces of glass, mica and platinum. J. Am. Chem. Soc. 1918. 40(9): 1361. https://doi.org/10.1021/ja02242a004

30. Freundlich H., Heller W.J. The adsorption of cis- and trans-azobenzene. J. Am. Chem. Soc. 1939. 61(8): 2228. https://doi.org/10.1021/ja01877a071

31. Sverdlova O.V. Electronic Spectra in Organic Chemistry. (Leningrad: Nauka, 1985). [in Russian].

32. Charykov A.K. Mathematical Processing of Chemical Analysis Results. (Leningrad: Chemistry, 1984). [in Russian].

33. Lazarev A.N. Vibrational Spectra and Structure of Silicates. (Leningrad: Nauka, 1968). [in Russian].

34. Noll W. The silicate bond from the standpoint of electronic theory. Angew. Chem. Int. Ed. 1963. 2(2): 73. https://doi.org/10.1002/anie.196300731

35. Belyakova L.A., Kazdobin K.A., Belyakov V.N., Ryabov S.V., Danil de Namor A.F. Synthesis and properties of supramolecular systems based on silica. J. Colloid Interface Sci. 2005. 283(2): 488. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2004.09.012

36. Belyakova L.A., Belyakov V.N., Vasilyuk S.L., Shvets O.M. The influence of grafted b-cyclodextrin on the sorption activity of silica gel to toxic metal ions. Reports of NAS of Ukraine. 2016. 3: 69. [in Russian]. https://doi.org/10.15407/dopovidi2016.03.069

37. Szejtli J. Introduction and general overview of cyclodextrin chemistry. Chem. Rev. 1998. 98(5): 1743. https://doi.org/10.1021/cr970022c

38. Belyakov V.N., Belyakova L.A., Varvarin A.M., Khora O.V., Vasilyuk S.L., Kazdobin K.A., Maltseva T.V., Kotvitskyy A.G., Danil de Namor A.F. Supramolecular structures on silica surfaces and their adsorptive properties. J. Colloid Interface Sci. 2005. 285(1): 18. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2004.11.027

39. Bellamy L.J. Advances in Infrared Group Frequencies. (London: Methuen, 1968).

40. Smith A.L. Applied Infrared Spectroscopy. (New York: John Wiley & Sons, 1982).

41. Rao C.N.R. Ultra-violet and Visible Spectroscopy. Chemical Applications. (London: Butterworths, 1961).

42. Uekama K., Hirayama F., Irie T. Cyclodextrin drug carrier systems. Chem. Rev. 1998. 98(5): 2045. https://doi.org/10.1021/cr970025p

43. Belyakova L.A., Lyashenko D.Yu., Grebenyuk A.G., Dzyubenko L.S. "β-Cyclodextrine - benzene carboxylic acid" inclusion complexes: stoichiometry, thermodynamics of complexation, stability. Surface. 2009. 1(16): 58. [in Russian].




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp10.02.118

Copyright (©) 2019 L. A. Belyakova, D. Yu. Lyashenko, N. V. Roik, I. M. Trofymchuk, O. M. Shvets