ХІМІЯ, ФІЗИКА ТА ТЕХНОЛОГІЯ ПОВЕРХНІ

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

Метод контактного змочування є одним з ефективних методів вивчення адсорбційної здатності сорбентів. Метою роботи було проведення порівняння експериментальних даних адсорбційної здатності шунгіту, отриманих методом контактного змочування, та результатів моделювання поведінки крапель рідин на гетерогенних поверхнях методом ґраток Больцмана, і показати придатність застосованого нами полегшеного варіанту методу LBM у рамках двовимірної моделі для моделювання складних випадків контактної взаємодії між рідиною та сорбентом, коли її не можна здійснити методом контактного змочування.

Адсорбційні властивості шунгіту щодо вилучення різних домішок з водно-спиртових розчинів та здатність сорбента до відновлення досліджено методом контактного змочування та проаналізовано шляхом залучення даних, отриманих методами адсорбції азоту, термогравіметрії та ІЧ-спектроскопії. Показано, що адсорбційні властивості шунгіту обумовлені наявністю на його поверхні гідроксильних функціональних груп, що приєднані до атомів вуглецю у фенольній або енольній формі, які надають поверхні гідрофільні властивості. Ці групи відіграють ключову роль в адсорбції компонентів з рідкої (водної) фази за рахунок утворення водневого зв’язку, і відновлюються після нагрівання в температурному інтервалі 80–180 °С з утворенням вуглецьвмісних газів і води. Встановлено, що присутні в шунгіті силанольні групи не беруть участі у сорбції. Порівняно з вихідним, зразок шунгіту після п’яти циклів адсорбції характеризується помітним ефектом втрати маси (1.8 %) в температурному інтервалі 80–180 °С. Це свідчить про те, що сорбовані речовини знаходяться у порах, а не на поверхні шунгіту, і вони починають видаляти тільки після нагрівання вище 100 °С.

Використано метод LBM для дослідження швидкоплинних процесів на мезо-рівні. Проведено порівняльний аналіз дослідних даних, отриманих методом контактного змочування, з результатами моделювання методом ґраток Больцмана у рамках двовимірної моделі. 2D моделювання LBM методом виявилося ефективним засобом дослідження капілярної конденсації в мезопорах, випереджального змочування твердої фази, проникнення рідини в пористе середовище з різною топологією, формування анізотропних крапель та анізотропних містків. Шляхом моделювання поведінки крапель рідин на гетерогенних поверхнях та залучення даних про перебіг адсорбційних та капілярних процесів на поверхні твердої фази з різним рівнем поруватості, шорсткості та функціонального складу проаналізовано роль мезопор для процесу сорбції.

1. Rozhkova V.S., Kochneva I.V., Kovalevsky V.V. Mineralogical study of the processes of interaction of shungite rocks with water. In: Geology and mineral resources of Karelia. Issue 11. (Petrozavodsk: Karelian Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, 2008). P. 243. [in Russian].

2. Mosyn O., Yhnatov Y. Research of Influence of Shungite on Mountain Water from Bulgaria. Mathematical Models of Water Influenced from Shungite and Zeolite. Journal of Medicine, Physiology and Biophysics. 2015. 12: 1.

3. Oliynyk S., Mel'nyk L., Samchenko I., Tkachuk N., Loginova O., Kisterska L. The influence of shungite treatment methods on its absorption properties and on water treatment quality for beverages production. Ukr. Food J. 2019. 8(4): 891. https://doi.org/10.24263/2304-974X-2019-8-4-18

4. Mel'nyk L.M., Tkachuk N.A., Turchun O.V., Diyuk V.E., Ishchenko O.V., Byeda O.A., Kisterska L.D., Loginova O.B., Lysovenko S.O., Gontar O.G., Harashchenko V.V. Adsorption properties of shungite in purification of water-alcohol solutions. J. Superhard Mater. 2017. 39(6): 416. [in Russian]. https://doi.org/10.3103/S1063457617060053

5. Mosin O., Ignatov I. The structure and compositions of natural carbonaceous fullerene containing mineral shungite. International Journal of Advanced Scientific and Technical Research. 2013. 3(11): 9.

6. Sheiko T.V., Mel'nyk L.M., Stroi A.N. Adsorption purification of table beet juice from heavy metal ions by shungite. In: Proceedings of the International Conference "Food Science, Technology and Technologies - 2011", 14-15 October 2011, Plovdiv, Bulgaria. P. 537. [in Russian].

7. Mel'nyk L., Tkachuk N., Turchun O., Kutz A., Melnik Z. Water-alcohol absorbing cleaning out higher alcohols by shungite. Ukr. J. Food Sci. 2014. 2(2): 312.

8. Turchun O.V., Mel'nyk L.M., Tkachuk N.A., Melnyk Z.P. Adsorption of aldehydes from water-alcohol solutions by shungite. Transactions of the Odessa National Academy of Food Technologies. 2014. 3(45): 30. [in Ukrainian].

9. Patent UA 94899. The method of regeneration of the natural carbon-containing mineral shungite. Mel'nyk L.M., Sheiko T.V., Matko S.V., Melnyk Z.P. 2014. [in Ukrainian].

10. Diyuk V.E,. Ishchenko O.V, Mel'nyk L.M., Kisterska L.D., Loginova O.B., Harashchenko V.V., Lysovenko S.O., Byeda O.A., Tkachuk N.A., Shevchenko O.Yu., Turchun O.V. Restoration of adsorption properties of shungite. J. Superhard Mater. 2019. 4: 1. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.3103/S1063457619040026

11. Summ B.D., Goryunov Yu.V. Physico-chemical foundations of wetting and spreading. (Moscow: Khimiya, 1976). [in Russian].

12. Eustathopoulos N., Nicholas M.G., Drevet B. Wettability at High Temperatures. (Pergamon Materials Series, 1999).

13. Kaplan W.D., Chatain D., Wynblatt P., Craig Carter W. A review of wetting versus adsorption, complexions, and related phenomena: the rosetta stone of wetting. J. Mater. Sci. 2013. 48: 5681.

https://doi.org/10.1007/s10853-013-7462-y

14. Case M.J., Böhringe K.F. Engineering surface roughness to manipulate droplets in microfluidic systems. In: Proceedings of the 18th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems. (MEMS). 2005. P. 694.

15. Summ B.D. Hysteresis of wetting. Soros Educational Journal. 1999. 7: 98. [in Russian].

16. Kubiak K.J., Wilson M.C.T., Mathia T.G., Carval Ph. Wettability versus roughness of engineering surfaces. In: Proceeding of 12th International Conference on Metrology & Properties of Engineering Surfaces. (8-10 July 2009, Rzeszow, Poland). P. 265.

17. Kubiak K.J., Wilson M.C.T., Mathia T.G., Carval P. Wettability versus roughness of engineering surfaces. Wear. 2011. 271(3-4): 523. https://doi.org/10.1016/j.wear.2010.03.029

18. Krueger T., Kusumaatmaja H., Kuzmin A., Shardt O., Silva G., Viggen E.M. The Lattice Boltzmann Method. (Switzerland: Springer International Publishing, 2017). https://doi.org/10.1007/978-3-319-44649-3

19. Mohamad A.A. Lattice Boltzmann Method: Fundamentals and Engineering Applications with Computer Codes. 2nd ed. (Springer, 2019). https://doi.org/10.1007/978-1-4471-7423-3

20. Huang H., Sukop M., Multiphase X. Lu. Lattice Boltzmann Methods: Theory and Application. (Wiley-Blackwell, 2015). https://doi.org/10.1002/9781118971451

21. Shu Zh., Guo Ch. Lattice Boltzmann Method and its Applications in Engineering. (World Scientific Publishing Company, 2013).

22. Farhat H., Lee J.S, Kondaraju S. Accelerated Lattice Boltzmann Model for Colloidal Suspensions: Rheology and Interface Morphology. (Springer US, 2014). https://doi.org/10.1007/978-1-4899-7402-0

23. Sukop M.C., Thorne D.T. Lattice Boltzmann modeling: an introduction for geoscientists and engineers. (Springer, 2006). https://doi.org/10.1007/978-3-540-27982-2

24. Succi S. The Lattice Boltzmann Equation for Fluid Dynamics and Beyond. (Oxford: Oxford University Press, 2001). https://doi.org/10.1093/oso/9780198503989.001.0001

25. Succi S. The Lattice Boltzmann Equation: For Complex States of Flowing Matter. (USA: Oxford University Press, 2018). https://doi.org/10.1093/oso/9780199592357.001.0001

26. Shan X., Chen H. Lattice Boltzmann model for simulating flows with multiple phases and components. Phys. Rev. E. 1993. 47(3): 1815. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.47.1815

27. Shan X., Chen H. Simulation of non-ideal gases and liquid-gas transitions by the lattice Boltzmann equation. Phys. Rev. E. 1994. 49(4): 2941. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.49.2941

28. Martys N.S., Chen H. Simulation of multicomponent fluids in complex three-dimensional geometries by the lattice Boltzmann method. Phys. Rev E. 1996. 53(1): 743. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.53.743

29. Huang H., Lu X.-Y., Sukop M.C. Multiphase lattice Boltzmann methods: theory and application. (Wiley-Blackwell, 2015). https://doi.org/10.1002/9781118971451

30. Kupershtokh A.L. Three dimensional simulations of two-phase liquid-vapor systems on GPU using the lattice Boltzmann method. Numerical Methods and Programming. 2012. 13: 130.

31. Raiskinmäki P., Koponen A., Merikoski J., Timonen J. Spreading Dynamics of Three-dimensional Droplets by the Lattice-Boltzmann Method. Comput. Mater. Sci. 2000. 18(1): 18. https://doi.org/10.1016/S0927-0256(99)00095-6

32. Mark C.T., Wilson M.C.T., Kubiak K.J. Simulation of Drops on Surfaces. In: Fundamentals of Inkjet Printing: The Science of Inkjet and Droplets. First Edition. (Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Published 2016 by Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA). P. 281. https://doi.org/10.1002/9783527684724.ch11

33. Hyväluoma J., Raiskinmäki P., Jäsberg A., Koponen A., Kataja M., Timonen J. Simulation of liquid penetration in paper. Phys. Rev. E. 2006. 73(3 Pt 2): 036705. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.73.036705

34. Kusumaatmaja H., Yeomans J.M. Lattice Boltzmann Simulations of Wetting and Drop Dynamics. In: Simulating Complex Systems by Cellular Automata. (Understanding Complex Systems, Springer-Verlag, 2010). https://doi.org/10.1007/978-3-642-12203-3_11

35. Michalski P. State of The Practice for Lattice Boltzmann Method Software. (M. Eng. Thesis, McMaster University, 2021).

36. Diyuk V.E., Mariychuk R.T., Lisnyak V.V. Barothermal preparation and characterization of micro-mesoporous activated carbons. Textural studies, thermal destruction and evolved gas analysis with TG-TPD-IR technique. J. Therm. Anal. Calorim. 2016. 124: 1119. https://doi.org/10.1007/s10973-015-5208-6

37. Karnaukhov A.P. Adsorption. Texture of dispersed and porous materials. (Novosibirsk: Nauka, 1999). [in Russian].

38. Yang R.T. Adsorbents: fundamentals and applications. (Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, 2003).

39. Diyuk V.E. Carbon sorbents. Production, structure and properties. Academic. manual. (KNU - Kyiv: VOC "Kyiv University", 2017). [in Ukrainian].

40. Poltorak O.M. Thermodynamics in physical chemistry. (Moscow: Higher School, 1991). [in Russian].

41. Sing K.S.W. Reporting physisorption data for gas/solid systems with special reference to the determination of surface area and porosity (recommendations). Pure Appl. Chem. 1985. 57(4): 603. https://doi.org/10.1351/pac198557040603

42. Noskova A.S. Industrial catalysis in lectures No. 7/2007/ P69. (Moscow: Kalvys, 2007). [in Russian].

43. Rudenko A.P., Kulakova I.I., Skvortsova V.L. Chemical synthesis of diamond. Aspects of general theory. Uspekhi khimii. 1993. 34(6): 99. [in Russian].

44. Boehm H.P., Dichl F., Heck W., Sappok R. Surface oxides of carbon. Angew. Chem. 1964. 76(17): 742. https://doi.org/10.1002/ange.19640761704

45. Stoeckelhuber K.W., Radoev B., Schulze H.J. Some new observations on line tension of microscopic droplets. Colloids Surf. A. 1999. 15: 6323.