Влияние поверхностного натяжения внутрипоровой жидкости на структурно-поверхностные свойства диоксида кремния, получаемого из нефелинсодержащего сырья
Аннотация
В настоящее время диоксид кремния (силикагель, аморфный кремнезем, SiO2), обладающий развитой удельной поверхностью, широко используется в различных отраслях промышленности – при производстве бумаги, эластомеров и пр. в качестве наполнителя, как активный компонент в производстве стройматериалов, в оптико-волоконной технике, при производстве катализаторов в качестве их носителя, сорбентов и осушителей, в качестве компонента теплоизоляционных материалов и т.д. Также на его основе создаются специальные хроматографические колонки, позволяющие проводить анализ ранее недоступных для исследований объектов.
В сорбционных и каталитических процессах существенную роль играют структурно-поверхностные свойства используемых материалов – удельные поверхность (Sуд.), объем пор (Vпор) и др., которые, в свою очередь, зависят от способа получения этих материалов.
Традиционным способом получения таких материалов является золь-гель процесс, который заключается в смешении водных растворов исходных реагентов с образованием каркасообразующих веществ (частиц) в коллоидном состоянии с последующим образованием из них геля по реакции поликонденсации, который затем подвергается сушке. При этом существенное влияние на структурно-поверхностные свойства получаемых ксерогелей оказывает поверхностное натяжение находящейся внутри пор жидкости, которое вызывает деформацию и разрушение структуры (каркаса) ксерогеля, что, в свою очередь, приводит к снижению значений как Sуд., так и Vпор.
Одним из методов предотвращения этого явления и получения материалов с развитыми структурно-поверхностными свойствами является сушка получаемых гелей при температуре равной или более критической, при которой поверхностное натяжение внутрипоровой жидкости отсутствует. Это позволяет исключить деформацию первоначальной структуры каркаса геля, образованной в процессе поликонденсации коллоидных частиц геля, в процессе сушки. Однако этот метод требует повышенных энергетических и материальных затрат, связанных с применением высоких температур и специального оборудования при его реализации, что обуславливает высокую стоимость получаемых материалов.В работе приведены результаты исследований влияния поверхностного натяжения внутрипоровой жидкости на структурно-поверхностные свойства оксидов кремния (SiO2), синтезированных с использованием метода кислотного разложения минерального сырья (нефелина). Полученные образцы исследованы методами химического анализа, РФА, БЭТ и BJH. Показано, что замещения водной среды в поровом пространстве на органическую перед сушкой синтезированного SiO2 позволяет не только существенно (в ~2 раза) увеличить емкость адсорбционного монослоя продуктов, но и оказывает влияние на распределение объема пор по их диаметру. На основании полученных значений удельной емкости поверхности образцов SiO2 и изменения энергии Гиббса (ΔGo) в процессе сорбции сделан вывод о том, что способ их получения не оказывает существенного влияния на физико-химические свойства их поверхностей (тип и количество сорбционных центров на единицу поверхности) и механизм сорбции азота.
Скачивания
Литература
Ajler R. Himija kremnezema. M. Mir, 1982, 1128 p. (In Russ.)
Nejmark I.E., Shejnfajn R.Ju. Silikagel', ego poluchenie, svojstva i primenenie. Kiev: Naukova dumka, 1973, 202 p.
Chukin G.D. Novye predstavlenija o mehanizme kataliticheskogo rassheplenija uglevodorodov nefti. Moskva: Tehnika, 2008, 112 p. (In Russ.)
Baetens R., Jelle B.P., Gustavsen A. Aerogel insulation for building applica-tions: a state-of-the-art review. Ener-gy and Buildings. 2011; 43: 761-769.
Hanus M.J., Harris A.T. Nanotech-nology innovations for the construction industry. Progress in Materials Science. 2013; 58: 1056-1102.
Riffat S.B., Qiu G. A review of state-of-the-art aerogel applications in buildings. Int J Low-Carbon Technol. 2013; 8(1): 1-6.
Timin A., Rumyantsev E., Lanin S.N., Rychkova S.A., Guseynov S.S., Solomonov A.V., Antina E.V. Preparation and surface properties of mesoporous silica particles modified with poly(N-vinyl-2-pyrrolidone) as a potential adsorbent for bilirubin removal. Materials Chemistry and Physics. 2014; 147: 673-683.
Fang X., Liu Z., Hsieh M.F., Chen M., Liu P., Chen C. Hollow mesoporous aluminosilica spheres with perpendicular pore channels as catalytic nanoreactors. ACS Nano. 2012; 6: 4434-4444.
Jiao Y., Wan C., Li J. Synthesis of carbon fiber aerogel from natural bamboo fiber and its application as a green high-efficiency and recyclable adsorbent. Mate-rials and Design. 2016; 107: 26-32.
Medicinskaja himija i klinicheskoe primenenie dioksida kremnija: pod red. A.A. Chujko. Kiev: Naukova dumka, 2003, 416 p.
González-Gómez L., Morante-Zarcero S., Pérez-Quintanilla D., Sierra I. Simultaneous determination of furanic compounds and acrylamide in insect-based foods by HPLC-QqQ-MS/MS employing a functionalized mesostructured silica as sorbent in solid-phase extraction. Foods. 2021; 10; 1557-1572. https://doi.org/10.3390/foods10071557
Zaguzin A. S., Romanenko A. V., Buhtijarova M. V. Sintez oksidov aljuminija s kontroliruemymi teksturnymi i prochnostnymi harakteristikami. Zhurnal prikladnoj himii. 2020; 93(8): 1079-1090. (In Russ.)
Kuznecova T.F., Eremenko S.I. Sin-tez mezoporistogo kremnezema ajerogel'nogo tipa. Kolloidnyj zhurnal. 2014; 76(3): 356-362. (In Russ.)
Koval'ko N.Ju., Kalinina M.V., Malkova A.N., Lermontov S.A., Morozova L.V., Poljakova I. G., Shilova O.A. Sintez i sravnitel'noe issledovanie kserogelej, ajerogelej i poroshkov na osnove sistemy ZrO2-Y2O3-CeO2. Fizika i himija stekla. 2017; 43(4): 415-424.
Hudeev I.I., Lebedev A.E., Smirnov O.A., Menshutina N.V. Intensifikacija processa svehkriticheskoj sushki. Uspehi v himii i himicheskoj tehnologii. 2018; 32(11): 90-93. (In Russ.)
Suslova E.N., Lovskaja D.D., Leb-edeva N.V. Sovmeshhenie processov za-meny rastvoritelja v sverhkriticheskoj su-shki v odnom apparate dlja poluchenija ajerogelej. Uspehi v himii i himicheskoj tehnologii. 2020; 34(12): 40-42. (In Russ.)
Zhaoa Y., Lib Y., Zhang R. Silica aerogels having high flexibility and hydrophobicity prepared by solgel method. Ceramics International. 2018; 44: 21262-21268.
Iswar S., Snellings G.M.B.F., Zhao S. Reinforced and superinsulating silica aerogel through in situ crosslinking with silane terminated prepolymers. Acta Materialia. 2018; 147: 322-328.
Sarawadea P.B., Shao G.N., Quang D.V., Kim H.T. Effect of various structure directing agents on the physicochemical properties of the silica aerogels prepared at an ambient pressure. Applied Surface Sci-ence. 2013; 287: 84-90.
Maximiano P., Durães L., Simões P.N. Organically-modified silica aerogels: A density functional theory study. The Journal of Supercritical Fluids. 2019; 147: 138-148.
Torres R.B., Vareda J.P., Durães L. Effect of different silylation agents on the properties of ambient pressure dried and supercritically dried vinyl-modified silica aerogels. The Journal of Supercritical Flu-ids. 2019; 147: 81-89.
Wang J., Zhang Y., Wei Y., Zhang X. Fast and one-pot synthesis of silica aerogels via a quasisolventexchange-free am-bient pressure drying process. Microporous and Mesoporous Materials. 2015; 218: 192-198.
Matveev V.A., Zaharov V.I., Majorov D.V., Kondratenko T.V. Fiziko-himicheskie svojstva amorfnogo dioksida kremnija, vydelennogo iz nefelina. Zhurnal prikladnoj himii. 2011; 56(3): 380-382. (In Russ.)
Matveev V.A., Majorov D.V., Vel-jaev Ju.O., Zaharov V.I. Sernokislotnye sposoby kompleksnoj pererabotki nefelinsoderzhashhego syr'ja. Apatity: Iz-datel'stvo KNC RAN, 2017, 155 p.
Bregg U., Klaringbaum G. Kristallohimicheska struktura mineralov. M.: Mir, 1967, 318 p.
Zaharov V.I., Matveev V.A., Majorov D.V., Balbukova A.A., Kondratenko T.V. Knjazeva A.I. Issledovanie vlijanija uslovij kislotnoj pererabotki nefelina na strukturno-poverhnostnye svojstva obrazujushhihsja kremnezemnyh produk-tov. Zhurnal prikladnoj himii. 2012; 85(11): 1729-1735. (In Russ.)
Pat. 2179527 RF. Sposob pererabotki silikatnogo syr'ja. Zaharov D.V., Zaharov K.V., Matveev V.A., Majorov D.V.; opubl. 20.02.2002, Bjul. № 5.
Thommes M., Kaneko K., Neimark A.V., Olivier J.P., Rodriguez-Reinoso F., Rouquerol J., Sing K.S.W. Physisorption of gases, with special reference to the evaluation of surface area and pore size distribution (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry. 2015; 87(9-10): 1051-1069. https://doi.org/10.1515/pac-2014-1117
Goronovskij I.T., Nazarenko Ju.P., Nekrjach E.F. Kratkij spravochnik po himii: Izd. 5-e, dop., pererab. Kiev: Nau-kova dumka, 1987, 612 p.
Bobyljov V.N. Fizicheskie svojstva naibolee izvestnyh himicheskih veshhestv: Spravochnoe posobie. Moskva: RHTU im. D.I. Mendeleeva, 2003, 24 p.
Gmurman V.E. Teorija verojatnostej i matematicheskaja statistika: Uchebnoe posobie dlja vuzov. 10-e izdanie, stereotipnoe. M.: Vysshaja shkola, 2004, 479 p.
Jakovleva N.V. Issledovanie harakteristik poristosti obemnoporistyh nanokatalizatorov na osnove oksida aljuminija i intermetallidov sistemy nikel'-aljuminij. Voprosy materialovedenija. 2013;1(73): 95-101. (In Russ.)
