Написати автору Вплив морфології частинок, текстури та будови поверхні різних сорбентів на характеристики зв’язаної води при низьких температурах
DOI: https://doi.org/10.15407/hftp15.04.441
Анотація
Температурна та межфазна поведінка води, зв’язаної з різними сорбентами (кремнеземом, вуглецем, полімерами тощо), являє інтерес як з теоретичної, так і з практичної точок зору, оскільки певна кількість води може адсорбуватися з повітря та може впливати на властивості матеріалу, особливо при низьких температурах через можливе пошкодження при заморожуванні води. Цю поведінку можна вивчити за допомогою низькотемпературної 1H ЯМР-спектроскопії статичних зразків. Морфологію та структуру частинок досліджуваних сорбентів охарактеризовано за допомогою мікроскопічних та азотно-адсорбційних методів. Дослідження добре демонструє вплив різних факторів, включаючи морфологію, текстуру та структуру поверхні сорбентів, на температурну та межфазну поведінку зв’язаної води в кількостях, менших за об’єм пор сорбентів. При об’ємному заповненні пор водою текстурні та морфологічні ефекти (що призводять, наприклад, до зниження точки замерзання/плавлення) можуть бути сильнішими, ніж вплив структури поверхні (що призводить, наприклад, до реорганізації зв’язаної води), оскільки лише один-два адсорбційних шари добре чутливі до структури поверхні (тобто полярних чи неполярних поверхневих структур). Таким чином, відносні кількості незамерзлої води Cuw(T)/C280K (при 200 K < T < 273 K) подібні для дуже різних сорбентів, таких як нанокремнезем A–300, нано/мезопористий силікагель 200DF та активований вуглець AC–86 (при близькій кількості води в інтервалі гідратації h = 0.04–0.06 г/г) на відміну від мікрокристалічної целюлози. Існують сильні ефекти, викликані різною кількістю води, які краще спостерігаються для сорбентів із великим вмістом нанопор, наприклад, AC–86, що має дуже високу питому поверхню через значну нанопористість. Немонотонний ефект кількості води, зв'язаної з AC–86, можна пояснити нерівномірним розподілом O-вмісних функціональних груп (переважно розташованих на краях вуглецевих листів на входах у щілиноподібні гідрофобні нанопори). Кластерна адсорбція води навколо цих функціональних структур перешкоджає проникненню води в нанопори (утворені гідрофобними базальними площинами), особливо при невеликих кількостях води. Збільшення вмісту води викликає більш інтенсивну дифузію молекул води у вужчі пори але менш гідрофільні, що призводить до посиленого зниження точки замерзання/плавлення. Отримані результати являють інтерес з практичної точки зору, оскільки паралельно аналізувалися дуже різні та практично важливі сорбенти.
Ключові слова
Повний текст:
Посилання
1. Iler R.K. The Chemistry of Silica. Solubility, Polymerization, Colloid and Surface Properties, and Biochemistry. (Chichester: Wiley, 1979).
2. Bergna H.E., Roberts W.O. Colloidal Silica: Fundamentals and Applications. (Boca Raton: CRC Press, 2006). https://doi.org/10.1201/9781420028706
3. Somasundaran P. Encyclopedia of Surface and Colloid Science. Third Edition. (Boca Raton: CRC Press, 2015).mhttps://doi.org/10.1081/E-ESCS3
4. Chaplin M. Water structure and science. http://www1.lsbu.ac.uk/water/, accessed on 2 October, 2023.
5. Kimmich R. NMR Tomography, Diffusometry, Relaxometry. (Heidelberg: Springer, 1997).
6. Petrov O.V., Furó I. NMR cryoporometry: Principles, applications and potential. Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectrosc. 2009. 54(2): 97. https://doi.org/10.1016/j.pnmrs.2008.06.001
7. 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
8. 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
9. Babick F. Suspensions of Colloidal Particles and Aggregates. (Berlin: Springer, 2018).
10. Koduru J.R., Karri R.R., Mubarak N.M., Bandala E.R. Sustainable Nanotechnology for Environmental Remediation. (Amsterdam: Elsevier, 2022).
11. 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
12. Gun'ko V.M., Turov V.V., Zarko V.I., Goncharuk E.V., Gerashchenko I.I., Turova A.A., Mironyuk I.F., Leboda R., Skubiszewska-Zięba J., Janusz W. Comparative characterization of polymethylsiloxane hydrogel and silylated fumed silica and silica gel. J. Colloid Interface Sci. 2007. 308(1): 142. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2006.12.053
13. Gun'ko V.M., Turov V.V., Goncharuk O.V., Pakhlov E.M., Matkovsky O.K. Interfacial phenomena at a surface of individual and complex fumed nanooxides. Surface. 2019. 11(26): 3. https://doi.org/10.15407/Surface.2019.11.003
14. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Cryogenic Technology. (Weinheim: Wiley-VCH, 2007).
15. Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. V. 1, 13, 22, and 26. (John Wiley & Sons, Inc. 2001).
16. Bhushan B. Encyclopedia of Nanotechnology. (Dordrecht: Springer, 2012). P. 3917. https://doi.org/10.1007/978-90-481-9751-4
17. Basic characteristics of Aerosil fumed silica. (4th ed.) Tech. Bull. Fine Particles 11. (Hanau: Evonik Industries, 2014).
18. Legrand A.P. The Surface Properties of Silicas. (New York: Wiley, 1998).
19. Adamson A.W., Gast A.P. Physical Chemistry of Surface. 6th edition. (New York: Wiley, 1997).
20. Gregg S.J., Sing K.S.W. Adsorption, Surface Area and Porosity. 2nd ed. (London: Academic Press, 1982).
21. Kulkarni P., Baron P.A., Willeke K. Aerosol Measurement: Principles, Techniques, and Applications. Third Edition. (New York: John Wiley & Sons, 2011). https://doi.org/10.1002/9781118001684
22. Büchel K.H., Moretto H.-H., Woditsch P. Industrial Inorganic Chemistry. (Weinheim: Wiley-VCH, 2000). https://doi.org/10.1002/9783527613328
23. Xu R., Yan Xu Y. Modern Inorganic Synthetic Chemistry. (Elsevier: Amsterdam, 2017).
24. Radoor S., Karayil J., Jayakumar A., Kandel D.R., Kim J.T., Siengchin S., Lee J. Recent advances in cellulose- and alginate-based hydrogels for water and wastewater treatment: A review. Carbohydr. Polym. 2024. 323: 121339. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2023.121339
25. Cousins S.K., Brown M.B. Cellulose in microfibril assembly: computational molecular mechanics energy analysis favours bonding by Van der Waals forces as the initial step in crystallization. Polymer. 1995. 36(20): 3885. https://doi.org/10.1016/0032-3861(95)99782-P
26. Hatakeyama H., Hatakeyama T. Interaction between water and hydrophobic polymers. Termochem. Acta. 1998. 308(1-2): 3. https://doi.org/10.1016/S0040-6031(97)00325-0
27. Hatakeyama T., Nakamura K., Hatakeyama H. Determination of bound water content in рolymers by DTA, DSC and TG. Termochem. Acta. 1988. 123: 153. https://doi.org/10.1016/0040-6031(88)80018-2
28. Heiner A.P., Teleman O. Interaction between monoclinic crystalline cellulose and water: breakdown of the odd/even duplicity. Langmuir. 1997. 13(3): 513.
https://doi.org/10.1021/la960886d
29. Turov V.V., Gun'ko V.M., Barvinchenko V.N., Rugal A.A., Turova A.A., Fedyanina V.V. Hydration of cellulose with the presence of quercetin and organic solvents. Chemistry, Physics, and Technology of Surface. 2009. 15: 169.
30. Ahuja S. (Editor). Separation Science and Technology. V. 15. (Amsterdam: Elsevier, 2022).
31. Ngu L.H. Carbon Capture Technologies. (Amsterdam: Elsevier, 2022).
32. Yang R.T. Adsorbents: Fundamentals and Applications. (New York: Wiley, 2003). https://doi.org/10.1002/047144409X
33. Lu K. Nanoparticulate Materials. Synthesis, Characterization, and Processing. (Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2013).
34. Moreno-Piraján J.C., Giraldo-Gutierrez L., Gómez-Granados F. Porous Materials Theory and Its Application for Environmental Remediation. (Cham: Springer Nature, 2021). https://doi.org/10.1007/978-3-030-65991-2
35. Rousseau R.W. Handbook of Separation Process Technology. (New York: John Wiley & Sons, 1987).
36. Gun'ko V.M., Turov V.V., Pakhlov E.M., Krupska T.V., Charmas B. Effect of water content on the characteristics of hydro-compacted nanosilica. Appl. Surf. Sci. 2018. 459: 171. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.07.213
37. Blitz I.P., Blitz J.P., Gun'ko V.M., Sheeran D.J. Functionalized silicas: structural characteristics and adsorption of Cu(II) and Pb(II). Colloids Surf. A. 2007. 307(1-3): 83. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2007.05.016
38. Gun'ko V.M., Turov V.V., Turov A.V., Zarko V.I., Gerda V.I., Yanishpolskii V.V., Berezovska I.S., Tertykh V.A. Behaviour of pure water and water mixture with benzene or chloroform adsorbed onto ordered mesoporous silicas. Cent. Eur. J. Chem. 2007. 5: 420. https://doi.org/10.2478/s11532-007-0010-3
39. Gun'ko V.M. Morphological and textural features of various materials composed of porous or nonporous nanoparticles differently packed in secondary structures. Appl. Surf. Sci. 2021. 569: 151117. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.151117
40. Bansal R.C., Donnet J.B., Stoeckli F. Active Carbon. (New York: Marcel Dekker, 1988).
41. McEnaney B., Mays T.J., Rodriguez-Reinoso F. (editors). Fundamental Aspects of Active Carbons. Special issue. Carbon. 1998. 36(10).
42. Cooney D.O. Activated Charcoal in Medical Applications. (New York: Marcel Dekker, 1995). https://doi.org/10.1201/9780367803964
43. Rodriguez-Reinoso F., McEnaney B., Rouquerol J., Unger K. (editors). Studies in Surface Science and Catalysis. V. 144. Characterisation of Porous Solids VI. (Amsterdam: Elsevier Science, 2002).
44. Gun'ko V.M. Features of the morphology and texture of silica and carbon adsorbents. Surface. 2021. 13(28): 127. https://doi.org/10.15407/Surface.2021.13.127
45. Gun'ko V.M., Turov V.V., Schur D.V., Zarko V.I., Prykhod'ko G.P., Krupska T.V., Golovan A.P., Skubiszewska-Zięba J., Charmas B., Kartel M.T. Unusual interfacial phenomena at a surface of fullerite and carbon nanotubes. Chem. Phys. 2015. 459: 172. https://doi.org/10.1016/j.chemphys.2015.08.016
46. Kroto H.W., Fischer J.E., Cox D.E. (editors). The Fullerenes. (Oxford: Pergamon Press, 1993).
47. Harris P.J.F. Carbon Nanotube Science. Synthesis, Properties and Applications. (Cambridge: Cambridge University Press, 2009). https://doi.org/10.1017/CBO9780511609701
48. Ravikovitch P.I., Neimark A.V. Density functional theory model of adsorption on amorphous and microporous silica materials. Langmuir. 2006. 22(26): 11171. https://doi.org/10.1021/la0616146
49. Hashim A.A. Smart Nanoparticles Technology. (Rijeka, Croatia: InTech, 2012). https://doi.org/10.5772/1969
50. Rahman M.R. (editor). Fundamentals and Recent Advances in Nanocomposites Based on Polymers and Nanocellulose. (Elsevier, 2021).
51. Barhoum A., Bechelany M., Makhlouf A.S.H. (editors). Handbook of Nanofibers. (Springer, 2019). https://doi.org/10.1007/978-3-319-53655-2
52. Universität Bayreuth. Laboratory for Soft Matter Electron Microscopy. https://www.smem.uni-bayreuth.de/en/gallery-transmission-electron-microscopy/Colloidal-Samples/Microcrystalline-Cellulose/index.html
DOI: https://doi.org/10.15407/hftp15.04.441
Copyright (©) 2024 V. M. Gun'ko, V. V Turov
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.