Хімія, фізика та технологія поверхні, 2020, 11 (3), 304-318.

Адсорбція цинку (ІІ) на кремнеземних та алюмосилікатних поверхнях: результати експерименту і моделювання



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp11.03.304

K. O. Stepanyuk, A. A. Kravchenko, I. I. Gerashchenko, A. G. Grebenyuk, M. V. Borysenko

Анотація


Дослідження взаємодії цинку (ІІ) з поверхнями кремнеземної та алюмосилікатної природи важливе з кількох причин. З практичного погляду воно проводиться у рамках створення лікарського засобу, інгредієнтами якого є, зокрема, кремне(алюмо)вмісний сорбент і сполука цинку; з теоретичного погляду – це пошук закономірностей адсорбції на згаданих поверхнях в ряду d-елементів з близькою електронною будовою (цинк, мідь, нікель, кадмій тощо). До того ж, доцільно доповнити експериментальні дані з адсорбції результатами квантовохімічного моделювання будови й енергії утворення комплексів цинку (ІІ) з активними центрами поверхні.

Адсорбцію іонів Zn2+з нейтрального водного розчину на кремнеземних та алюмосилікатних матеріалах вивчали методом побудови ізотерми адсорбції. Питому поверхню матеріалів визначали методом теплової десорбції аргону. Квантовохімічний аналіз будови та енергії утворення гідратованої іонної пари сульфату цинку на кремнеземній і алюмокремнеземній поверхнях проводили за допомогою методу Хартрі-Фока-Рутаана з використанням розширеного базисного набору 6‑31++G(d,p).

 За величиною адсорбції (А) цинку досліджувані матеріали поділено на три групи: 1) ентеросгель, каолін, нанокремнезем А-300 та поліметилсилоксан, для яких Аmax становить від 0.15 до 0.3 мг/г; 2) Syloid® 244 FP, кізельгелі KG-60 і KG-40, амінопропілаеросил, смектит (Аmax від 1.2 до 12.0 мг/г); 3) цеоліти        NaA-TK-1173 та NaX (Аmax понад 30 мг/г). Зроблено висновок, що високу адсорбційну  активність щодо цинку(ІІ) зумовлює насамперед наявність розвиненої поруватої структури. За допомогою квантовохімічного моделювання визначено найбільш імовірні місця взаємодії гідратованих іонів цинку з гідроксильною групою поверхні кремнезему та алюмокремнезему. Розрахованo значення pKMe іонного обміну поверхні кремнезему при взаємодії з катіонами Zn2+.


Ключові слова


іони цинку; кремнезем; алюмосилікати; адсорбція; теорія функціоналу густини

Повний текст:

PDF

Посилання


1. Vallee B.L., Falchuk K.H. The biochemical basis of zinc physiology. Physiol. Rev. 1993. 73(1): 79. https://doi.org/10.1152/physrev.1993.73.1.79

2. Barbucci R., Magnani A., Lamponi S., Mitola S., Ziche M., Morbidelli L., Bussolino F. Cu(II) and Zn(II) complexes with hyaluronic acid and its sulphated derivative. Effect on the motility of vascular endothelial cells. J. Inorg. Biochem. 2000. 81(4): 229. https://doi.org/10.1016/S0162-0134(00)00127-6

3. Mumin A.N., Volotovskaya A.V. Application of curiosin electro- and phonophoresis in the trophic ulcer treatment. Int. Rev.: clin. practice and health. 2013. (3): 75. [in Russian].

4. Stepanyuk K.O., Gerashchenko I.I., Chunikhin A.Yu. A study on interaction between zinc(II) and macromolecular components of vitreous humor by UV/DLS methods. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2019. 10(2): 154. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/hftp10.02.154

5. Chang M. Chia, Jalbout F. Abraham, Lin. C. Novel descriptors based on density functional theory for predicting divalent metal ions adsorbed onto silica-disiloxane cluster model study. J. Mol. Struct. THEOCHEM. 2003. 664-665: 27. https://doi.org/10.1016/S0166-1280(03)00564-5

6. Vlasova N.N. Complex formation of 3d transition metal cations with silanol groups of silica. Surface. 2009. 1(16): 4. [in Russian].

7. Zuyi T., Hongxia Z. Acidity and Alkali Metal Adsorption on the SiO2-Aqueous Solution Interface. J. Colloid Interface Sci. 2002. 252(1): 15. https://doi.org/10.1006/jcis.2002.8277

8. Gerashchenko I.I. Enterosorbents: medicines and dietary supplements. (Kyiv: Chuiko Institute of Surface Chemistry of NAS of Ukraine, 2014). [in Ukrainian].

9. Nikolaev V.G. Enterosgel. (Kyiv: Bogdana, 2010). [in Russian].

10. Komarov V.S. Adsorption-structural, physicochemical and catalytic properties of clays of Belarus. (Minsk: Science and technology, 1970). [in Russian].

11. Gun'ko V.M., Dyachenko A.G., Borysenko M.V., Skubiszewska-Zieba J., Leboda R. CVD-Titania on Mesoporous Silica Gels. Adsorption. 2002. 8(1): 59. https://doi.org/10.1023/A:1015270523926

12. Schultz M.M. Silicates in nature and human practice. Sorosov. Educ. J. 1997. (8): 45. [in Russian].

13. Shumyatsky Yu.I., Afanasyev Yu.M. Adsorption: a process with unlimited possibilities. (Moscow: Vysshaya Shkola, 1998). [in Russian].

14. Gerashchenko I.I., Voitko I.I., Vasilieva A.V. Structural and adsorptive properties of silica-alumina and clay materials of mineral and synthetic origin. Farm. Zhurnal. 2015. (1): 63. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.32352/0367-3057.1.15.05

15. Pre-clinical study of enterosorbents. Regulatory Document of Ministry of Health of Ukraine. 2010.

16. Krishnan R., Binkley J.S., Seeger R., Pople J.A. Selfconsistent molecular orbital methods. XX. A basis set for correlated wave functions. J. Chem. Phys. 1980. 72(1): 650. https://doi.org/10.1063/1.438955

17. McLean A.D., Chandler G.S. Contracted Gaussian basis sets for molecular calculations. I. Second row atoms, Z=11-18. J. Chem. Phys. 1980. 72(10): 5639. https://doi.org/10.1063/1.438980

18. Hariharan P.C., Pople J.A. The influence of polarization functions on molecular orbital hydrogenation energies. Theor. Chim. Acta. 1973. 28(3): 213. https://doi.org/10.1007/BF00533485

19. Gibbs G.V. Molecules as models for bonding in silicates. Am. Mineral. 1982. 67(5-6): 421.

20. Hillt J.-R., Sauer J. Molecular Mechanics Potential for Silica and Zeolite Catalysts Based on ab Initio Calculations. 2. Aluminosilicates. J. Phys. Chem. 1995. 99(23): 9536. https://doi.org/10.1021/j100023a036

21. Kravchenko A.A., Demianenko E.M., Grebenyuk A.G., Lobanov V.V. Quantum chemical simulation of silica surface protolytic equilibrium. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2014. 5(1): 16. [in Ukrainian].

22. Schmidt M.W., Baldridge K.K., Boatz J.A., Elbert S.T., Gordon M.S., Jensen J.H., Koseki S., Matsunaga N., Nguen K.A., Su S.J., Windus T.L., Dupuis M., Montgomery J.A. General atomic and molecular electronic-structure system: Review. J. Comput. Chem. 1993. 14(11): 1347. https://doi.org/10.1002/jcc.540141112

23. Gerashchenko I.I., Markina A.I., Pakhlov E.M., Gorchev V.F. Comparison of structural and adsorptive characteristics of preparations of kaolin and dioctaheral smectite. Farm. Zhurnal. 2012. (3): 60. [in Ukrainian].

24. Markelov D.A., Nitsak O.V., Gerashchenko I.I. A comparative study of the adsorption activity of medical sorbents. Khim.-Farm. Zhurnal. 2008. 42(7): 30. [in Russian]. https://doi.org/10.1007/s11094-008-0138-2

25. Shevchenko J.M., Slynyakova I.B., Yashyna N.I. New organosilicon porous sorbents for medicine. Farm. Zhurnal. 1995. (6): 80. [in Ukrainian].

26. Ganebnykh E.V., Sviridov A.V., Maltsev G.I. Extraction of zinc from aqueous solutions by highly dispersed modified aluminosilicates. Chemistry for Sustainable Development. 2015. (23): 89. [in Russian].

27. Shubin A.A., Zhidomirov G.M., Yakovlev A.L., van Santen R.A. Comparative Quantum Chemical Study of Stabilization Energies of Zn2+ Ions in Different Zeolite Structures. J. Phys. Chem. B. 2001. 105(21): 4928. https://doi.org/10.1021/jp004037h

28. Zhidomirov G.M., Shubin A.A., Kazansky V.B., van Santen R.A. Spectroscopic identification of adsorption properties of Zn2+ ions at cationic positions of high-silica zeolites with distant placing of aluminium ions. Theor. Chem. Acc. 2005. 114(1-3): 90. https://doi.org/10.1007/s00214-005-0648-x

29. Benco L., Bucko T., Hafner J., Toulhoat H. Periodic DFT Calculations of the Stability of Al/Si Substitutions and Extraframework Zn2+ Cations in Mordenite and Reaction Pathway for the Dissociation of H2 and CH4. J. Phys. Chem. B. 2005. 109(43): 20361. https://doi.org/10.1021/jp0530597

30. Yakovlev A.L., Shubin A.A., Zhidomirov G.M., van Santen R.A. DFT study of oxygen-bridged Zn2+ ion pairs in Zn/ZSM-5 zeolites. Catal. Lett. 2000. 70(3-4): 175. https://doi.org/10.1023/A:1018849720636

31. Derouane E. G., Fripiat J. G. Quantum Mechanical Calculations on Molecular Sieves. 1. Properties of the Si-0-T (T = Si, AI, B) Bridge in Zeolites. J. Phys. Chem. 1987. 91(1): 145. https://doi.org/10.1021/j100285a032

32. Zatsepin D.A., Zatsepin A.F., Boukhvalov D.W., Kurmaev E.Z., Pchelkina Z.V., Gavrilov N.V. Electronic structure and photoluminescence properties of Zn-ion implanted silica glass before and after thermal annealing. J. Non.-Cryst. Solids. 2016. 432, Part B: 183. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2015.10.002

33. Dudev T., Lim C. Tetrahedral vs Octahedral Zinc Complexes with Ligands of Biological Interest: A DFT/CDM Study. J. Am. Chem. Soc. 2000. 122(45): 11146. https://doi.org/10.1021/ja0010296

34. Hartmann M., Clark T., Eldik R. Theoretical Study of the Water Exchange Reaction on Divalent Zinc Ion using Density Functional Theory. J. Mol. Model. 1996. 2: 354. https://doi.org/10.1007/s0089460020354.894

35. Mironyuk I.F., Gun'ko V.M., Vasylyeva H.V., Goncharuk O.V., Tatarchuk T.R., Mandzyuk V.I., Bezruka N.A., Dmytrotsa T.V. Effects of enhanced clusterization of water at a surface of partially silylated nanosilica on adsorption of cations and anions from aqueous media. Microporous Mesoporous Mater. 2019. 277: 95. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2018.10.016




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp11.03.304

Copyright (©) 2020 K. O. Stepanyuk, A. A. Kravchenko, I. I. Gerashchenko, A. G. Grebenyuk, M. V. Borysenko