ХІМІЯ, ФІЗИКА ТА ТЕХНОЛОГІЯ ПОВЕРХНІ

ISSN 2518-1238 (Online), ISSN 2079-1704 (Print)

Ароматичні органічні кислоти належать до поширених забруднювачів навколишнього середовища, які потрапляють у воду зі стічними водами підприємств хімічної та фармацевтичної промисловості, змивами із сільськогосподарських угідь. Через високу токсичність ароматичних речовин, важливим завданням очищення води є вилучення їхніх слідових кількостей. Ця проблема може бути вирішена за допомогою хімічно модифікованих неорганічних матеріалів, наприклад, кремнеземів, що мають високу механічну, хімічну, гідролітичну та радіаційну стійкість. Завдяки цьому вони не втрачають сорбційну здатність при тривалій експлуатації та не забруднюють воду продуктами деструкції сорбентів.

Мета роботи – синтез сорбційно-активного матеріалу для поглинання токсичних ароматичних кислот шляхом хімічної іммобілізації функціональних груп β-циклодекстрину на високодисперсному аморфному різновиді кремнезему – аеросилогелі.

Синтезовано β-циклодекстринвмісний аеросилогель шляхом двостадійного рідкофазного хімічного модифікування поверхні гідроксильованого кремнезему. За допомогою методів ІЧ спектроскопії, спектрофотометрії, термогравіметрії, рН метрії, низькотемпературної адсорбції-десорбції азоту, хімічного та елементного аналізу поверхні встановлено будову та кількісний хімічний склад поверхні, визначено параметри пористої структури вихідного та хімічно модифікованих аеросилогелів.

Вивчено сорбцію на аеросилогелях бензойної, саліцилової та β-резорцилової кислот з водних буферних розчинів з рН = 1. Доведено незначний внесок силанольних та амінопропільних груп та повну участь хімічно закріпленого β-циклодекстрину в сорбції ароматичних кислот. Одержані результати проаналізовано за допомогою кінетичних моделей для процесів псевдопершого та псевдодругого порядку, а також моделей Ленгмюра та Фрейндліха для рівноважної адсорбції на однорідній та гетерогенній поверхні. Встановлено, що сорбційні кінетичні процеси добре описуються рівнянням псевдопершого порядку (за наявності на поверхні одного типу функціональних груп) та рівнянням псевдодругого порядку для бі- та трифункціональних аеросилогелів. Експериментальні результати щодо рівноважної сорбції ароматичних кислот на β-циклодекстринвмісному аеросилогелі добре узгоджуються з рівнянням адсорбції Ленгмюра, що доводить визначальний внесок прищеплених олігосахаридних груп у сорбцію органічних кислот.

Запропонований хімічний підхід підвищення сорбційної активності аеросилогелю може використовуватися для одержання специфічних хроматографічних носіїв, а також для ефективного вилучення малих кількостей високотоксичних органічних речовин з води та водних розчинів.

Wang X., Wang Y., Feng L, Liu P., Zhang X. A novel adsorbent based on functionalized three-dimensionally ordered macroporous cross-linked polystyrene for removal of salicylic acid from aqueous solution. Chem. Eng. J. 2012. 203: 251. https://doi.org/10.1016/j.cej.2012.07.034

Yang J., Feng L., Wang J.-X. Preparation of phosphorus based hyper-cross-linked polymers and adsorption of salicylic acid from aqueous solution. J. Mol. Struct. 2020. 1221: 128804. https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2020.128804

Huang J., Jin X., Mao J., Yuan B., Deng R., Deng S. Synthesis, characterization and adsorption properties of diethylenetriamine-modified hyper-cross-linked resins for efficient removal of salicylic acid from aqueous solution. J. Hazard. Mater. 2012. 217-218: 406. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2012.03.053

Fu Z., Huang J. Polar hyper-cross-linked resin with abundant micropores/mesopores and its enhanced adsorption toward salicylic acid: Equilibrium, kinetics, and dynamic operation. Fluid Phase Equilib. 2017. 438: 1. https://doi.org/10.1016/j.fluid.2017.01.025

Zhou F., Man R., Huang J. Hyper-cross-linked polymers functionalized with primary amine and its efficient adsorption of salicylic acid from aqueous solution. The Journal of Chemical Thermodynamics. 2018. 31: 387. https://doi.org/10.1016/j.jct.2018.11.024

Wang X., Li G., Guo D., Zhang Y., Huang J. A novel polar-modified post-cross-linked resin and its enhanced adsorption to salicylic acid: Equilibrium, kinetics and breakthrough studies. J. Colloid Interface Sci. 2016. 470: 1. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2016.02.046

Huang J., Wang G., Huang K. Enhanced adsorption of salicylic acid onto a β-naphthol-modified hyper-cross-linked poly(styrene-co-divinylbenzene) resin from aqueous solution. Chem. Eng. J. 2011. 168(2): 715. https://doi.org/10.1016/j.cej.2011.01.065

Xiao G., Wen R., Liu A., He G., Wu D. Adsorption performance of salicylic acid on a novel resin with distinctive double pore structure. J. Hazard. Mater. 2017. 329: 77. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2017.01.030

Li H., Long R., Tong C., Li T., Liu Y., Shi S. Shell thickness controlled hydrophilic magnetic molecularly imprinted resins for high-efficient extraction of benzoic acids in aqueous samples. Talanta. 2019. 194: 969. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2018.10.099

Hu H., Wang X., Li S., Huang J., Deng S. Bisphenol-A modified hyper-cross-linked polystyrene resin for salicylic acid removal from aqueous solution: Adsorption equilibrium, kinetics and breakthrough studies. J. Colloid Interface Sci. 2012. 372(1): 108. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2012.01.009

Huang J., Yang L., Wang X., Li H., Chen L., Liu Y.-N. A novel post-cross-linked polystyrene/polyacryldiethylenetriamine (PST_pc/PADETA) interpenetrating polymer networks (IPNs) and its adsorption towards salicylic acid from aqueous solutions. Chem. Eng. J. 2014. 248: 216. https://doi.org/10.1016/j.cej.2014.03.061

Fu Z., He C., Li H., Yan C., Chen L., Huang J., Liu Y.-N. A novel hydrophilic-hydrophobic magnetic interpenetrating polymer networks (IPNs) and its adsorption towards salicylic acid from aqueous solution. Chem. Eng. J. 2015. 279: 250. https://doi.org/10.1016/j.cej.2015.04.146

Chai K., Ji H. Dual functional adsorption of benzoic acid from wastewater by biological-based chitosan grafted β-cyclodextrin. Chem. Eng. J. 2012. 203: 309. https://doi.org/10.1016/j.cej.2012.07.050

González-Ramos K.M., Fernández-Reyes B., Román, F.R., Hernández-Maldonado A.J. A hierarchical porous carbon - Mn+[FAU] (Mn+=Ni2+ or Cu2+) adsorbent: Synthesis, characterization and adsorption of salicylic acid from water. Microporous Mesoporous Mater. 2014. 200: 225. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2014.08.055

Dai J., Xiao X., Duan S., Liu J., He J., Lei J., Wang L. Synthesis of novel microporous nanocomposites of ZIF-8 on multiwalled carbon nanotubes for adsorptive removing benzoic acid from water. Chem. Eng. J. 2018. 331: 64. https://doi.org/10.1016/j.cej.2017.08.090

Kong L., Xiong Y., Sun L., Tian S., Xu X., Zhao C., Liu H. Sorption performance and mechanism of a sludge-derived char as porous carbon-based hybrid adsorbent for benzene derivatives in aqueous solution. J. Hazard. Mater. 2014. 274: 205. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2014.04.014

Arshadi M., Mousavinia F., Abdolmaleki M.K., Amiri M.J., Khalafi-Nezhad A. Removal of salicylic acid as an emerging contaminant by a polar nano-dendritic adsorbent from aqueous media. J. Colloid Interface Sci. 2017. 493: 138. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2017.01.017

Cabrera-Lafaurie W.A., Román F.R., Hernández-Maldonado A.J. Transition metal modified and partially calcined inorganic-organic pillared clays for the adsorption of salicylic acid, clofibric acid, carbamazepine, and caffeine from water. J. Colloid Interface Sci. 2012. 386: 381. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2012.07.037

Cabrera-Lafaurie W.A., Román F.R., Hernández-Maldonado A.J. Removal of salicylic acid and carbamazepine from aqueous solution with Y-zeolites modified with extraframework transition metal and surfactant cations: Equilibrium and fixed-bed adsorption. J. Environ. Chem. Eng. 2014. 2: 899. https://doi.org/10.1016/j.jece.2014.02.008

Rakić V., Rajić N., Daković A., Auroux A. The adsorption of salicylic acid, acetylsalicylic acid and atenolol from aqueous solutions onto natural zeolites and clays: Clinoptilolite, bentonite and kaolin. Microporous Mesoporous Mater. 2013. 166: 185. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2012.04.049

Arshadi M., Mousavinia F., Amiri M.J., Faraji A.R. Adsorption of methyl orange and salicylic acid on a nano-transition metal composite: Kinetics, thermodynamic and electrochemical studies. J. Colloid Interface Sci. 2016. 483: 1181. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2016.08.032

SadeghiPouya E., Abolghasemi H., Assar M., Hashemi S.J., Salehpour A., Foroughi-dahr M. Theoretical and experimental studies of benzoic acid batch adsorption dynamics using vermiculite-based adsorbent. Chem. Eng. Res. Des. 2015. 93: 800. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2014.07.016

Xin X., Si W., Yao Z., Feng R., Du B., Yan L., Wei Q. Adsorption of benzoic acid from aqueous solution by three kinds of modified bentonites. J. Colloid Interface Sci. 2011. 359: 499. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2011.04.044

Shen T., Gao M., Zang W., Ding F., Wang J. Architecting organosilica nanosheets for regenerable cost-effective organics adsorbents. Chem. Eng. J. 2018. 331: 211. https://doi.org/10.1016/j.cej.2017.08.084

Pérez Molina B.C., Johannsen M. Adsorption equilibria of benzoic acid on silica gel from supercritical carbon dioxide. J. Supercrit. Fluids. 2010. 54(2): 237. https://doi.org/10.1016/j.supflu.2010.05.015

Belyakova L.A., Besarab L.N., Roik N.V., Lyashenko D.Yu., Vlasova N.N., Golovkova L.P., Chuiko A.A. Designing of the centers for adsorption of bile acids on a silica surface. J. Colloid Interface Sci. 2006. 294(1): 11. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2005.06.081

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

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

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

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

Belyakova L.A., Belyakov V.N., Vasilyuk S.L., Shvets A.N. Influence of grafted β-cyclodextrin on the sorbing activity of silica gel to ions of toxic metals. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2016. 3: 69. [in Russian]. https://doi.org/10.15407/dopovidi2016.03.069

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

Steed J.W., Atwood J.L. Supramolecular Chemistry. (Chichester-New York-Weinheim-Brisbano-Singapore-Toronto: John Wiley&Sons, 2000).

Lehn J.-M. Supramolecular Chemistry. Concepts and Perspectives. (Weinheim - New York-Basel-Cambridge-Tokyo: VCH Verlagsgesellschaft, 1995).

Dodziuk H. Cyclodextrins and Their Complexes. (Weinheim: Wiley-VCH GmbH&Co, 2006). https://doi.org/10.1002/3527608982

Belyakova L.A. Encapsulation of benzene carboxylic acids using cyclodextrins. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2021. 12(1): 40. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/hftp12.01.040