PHYSICAL AND CHEMICAL PROPERTIES OF INORGANIC POLYMER SORBENT OBTAINED BASED ON LOCAL RAW MATERIALS

УДК 544.77

Аннoтация

Разработка эффективных и экономически доступных сорбентных материалов на основе природного сырья является актуальным направлением современной химии материалов и экологических технологий. Особый интерес представляют алюмосиликатные материалы, синтезированные из местного глинистого сырья, ввиду их широкой распространённости, доступности и ионообменных свойств. В данном исследовании неорганический полимерный алюмосиликатный сорбент был синтезирован методом термомеханической активации местной глинистой почвы, отобранной в прибрежной зоне реки Амударья (Узбекистан). Исходное сырьё подвергалось термической обработке при температуре 600–650 °C в течение 4 часов, после чего последовательно обрабатывалось 1М раствором H₂SO₄ и 3М раствором NaOH в условиях автоклавной обработки в течение 48 часов. Результаты исследования подтверждают возможность применения местного глинистого сырья для получения алюмосиликатных сорбентов с развитой структурой. FTIR-спектроскопия выявила характерные полосы поглощения алюмосиликатной сети в диапазоне 1000–1080 см⁻¹ (колебания Si–O–Si и Si–O–Al), а рентгенографический анализ подтвердил наличие кристаллических фаз кварца (2θ = 20,8°; 26,6°; 36,5° и 50,1°) и слоистых алюмосиликатных минералов типа каолинита и иллита для получения алюмосиликатных сорбентов с развитой структурой и потенциально высокой адсорбционной активностью. Полученные результаты свидетельствуют о формировании частично кристаллической алюмосиликатной матрицы, обладающей потенциально высокой адсорбционной активностью.

Синтезированный сорбент перспективен для применения в процессах очистки водных систем от тяжёлых металлов и органических загрязнителей, что открывает возможности для его дальнейшего практического использования. Для комплексной характеристики физико-химических свойств полученного сорбента применялись FTIR-спектроскопия и рентгенографический анализ фазового состава и кристаллической структуры.

Abstract

The development of effective and cost-efficient sorbent materials from locally available natural resources is a priority direction in modern materials chemistry and environmental technology. Aluminosilicate sorbents derived from natural clay minerals are of particular interest owing to their wide availability, low cost, and pronounced ion-exchange properties. In this study, an inorganic polymer aluminosilicate sorbent was synthesized by thermochemical activation of clay soil collected from the Amudarya riverbank (Uzbekistan). The raw material, predominantly composed of quartz, kaolinite, and illite, was calcined at 600–650 °C for 4 hours, followed by sequential treatment with 1 M H₂SO₄ and 3 M NaOH solution under autoclave conditions (48 h). Physicochemical characterization was performed using Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy (Shimadzu IRAffinity-1S; KBr pellet method; 400–4000 cm⁻¹) and X-ray diffraction (XRD) analysis (Shimadzu XRD-6100; Cu Kα radiation; 2θ = 5–80°). FTIR spectra revealed characteristic absorption bands of the aluminosilicate network in the range 1000–1080 cm⁻¹ (asymmetric Si–O–Si and Si–O–Al stretching vibrations). XRD analysis confirmed the presence of crystalline quartz (2θ = 20.8°, 26.6°, 36.5°, and 50.1°) and layered aluminosilicate mineral phases (kaolinite and illite). The synthesised material exhibits a partially crystalline structure and is promising for application in the purification of aqueous systems from heavy metals and organic pollutants.

Ключевые слова: FTIR-анализ, неорганический полимер, местная глина, сорбент, XDR-анализ.

Keywords: FTIR analysis, inorganic polymer, sorbent, local clay, XDR analysis.

Введение

В настоящее время в мире адсорбенты широко используются для очистки бытовых и промышленных сточных вод от отходов различной природы, используемых для природных, технических целей, в нефтегазовой промышленности в качестве катализаторов, адсорбентов и ионообменных материалов для умягчения жесткой воды [1]. Среди различных типов адсорбентов большое внимание привлекли материалы на основе алюмосиликатов благодаря их химической стабильности, пористой структуре и высокой адсорбционной способности. Природные глинистые минералы являются богатым и дешевым источником для изготовления сорбентных материалов подобного рода [7; 9]. Благодаря особенностям своей структуры данные материалы проявляют выраженные ионообменные и адсорбционные свойства по отношению к различным загрязнителям, включая тяжелые металлы, красители и органические соединения [2; 5; 6].

Структурные особенности играют важную роль при изучении физико-химических свойств глинистых сорбентов. В частности, FTIR-спектроскопия и рентгенографический анализ являются широко используемыми методами для определения кристаллических фаз и структурных свойств алюмосиликатных материалов [3; 8]. XRD позволяет определить минеральные компоненты, кристаллические структуры и фазовые изменения, происходящие в процессах синтеза или модификации. Поэтому целью настоящего исследования является синтез алюмосиликатного сорбента из местных глин и изучение его фазового состава и структурных особенностей с помощью FTIR и рентгенографического анализа. Полученные данные позволяют оценить фазовый состав и особенности формирования алюмосиликатной структуры синтезированного сорбента [4; 10].

Материалы и методы исследования

Алюмосиликатный сорбент был синтезирован на основе природной глинистой почвы, отобранной в прибрежной зоне реки Амударья (Узбекистан). Исходное сырьё — суглинистая почва с преобладанием фракции 0,05–0,25 мм, минералогический состав которой представлен кварцем, каолинитом и иллитом, — было предварительно высушено при 105 °C в течение 12 часов для удаления гигроскопической влаги. Затем материал помещали в корундовый тигель и подвергали термической активации в лабораторной муфельной печи (Nabertherm L9/11/P330) при температуре 600–650 °C в течение 4 часов с целью деструкции органических примесей и повышения структурной реакционной способности алюмосиликатного каркаса [3; 7; 9].

После обжига термоактивированный материал охлаждали на воздухе до комнатной температуры. Навеску 50 г полученного продукта трижды промывали дистиллированной водой (3 × 200 мл) до нейтральной реакции промывных вод (pH 6,8–7,2), после чего снова сушили при температуре 105 °C в течение 12 часов [8].

Фазовый состав и кристаллическая структура синтезированного алюмосиликатного сорбента были исследованы методом рентгенофазового анализа (РФА) на порошковом дифрактометре XRD-6100 (Shimadzu, Japan) с Cu-анодом (Kα1 = 1,5406 Å; ток 30 мА, напряжение 40 кВ). Съёмка осуществлялась при комнатной температуре в режиме пошагового сканирования в диапазоне углов 2θ = 5°–80° с шагом 0,007°. Калибровка дифрактометра проводилась по эталонному образцу α-Al₂O₃ (корунд, NIST SRM 1976b). Идентификация кристаллических фаз осуществлялась с использованием базы данных PDF-2 (ICDD) [1].

Для более глубокого понимания механизма адсорбции была использована FTIR-спектроскопия, проводимая с целью идентификации функциональных групп синтезированного сорбента и установления механизмов адсорбции. ИК-спектры регистрировались на Фурье-спектрометре Shimadzu IRAffinity-1S (диапазон: 400–4000 см⁻¹; разрешение: 4 см⁻¹; количество сканирований: 32) методом прессования таблеток с KBr (соотношение образец : KBr = 1 : 100 по массе) [6; 8]. Исследования по сорбции неорганических полимерных сорбентов, синтезированных на основе природного глинистого сырья, остаются малоизученными. В данном исследовании неорганический полимерный сорбент был получен методом термохимической модификации глинистой почвы, отобранной в прибрежной зоне реки Амударья (координаты отбора: 41°32′N, 60°38′E). По своему гранулометрическому составу исходный материал относится к категории тяжёлых супесей с преобладанием фракции 0,05–0,25 мм; минералогический состав представлен преимущественно кварцем, каолинитом и иллитом. Изучены XDR, FTIR-анализ для определения физико-химических свойств.

Результаты и обсуждения

На начальном этапе получения неорганического полимерного сорбента на основе почвы, состоящего из материала, содержащего кремний и алюминий, для очистки от микроорганизмов и органических остатков наш исходный продукт нагревали при температуре 600–650 °C в течение 4 часов. Описываемый продукт, охлажденный на открытом воздухе в течение 2 часов, был обработан 1М раствором серной кислоты. Результаты FTIR-анализа сорбента, полученного при нагревании полученного продукта в автоклаве в течение 48 часов, смешанного с 3М раствором NaOH, представлены на рисунке 1.

FTIR-спектр неорганического полимерного сорбента, полученного на основе почвенного образца, демонстрирует адсорбированные на поверхности молекулы воды, принадлежащие группам –ОН, связанным водородными связями, с широкой и интенсивной линией поглощения, центрированной около 3450.62 см⁻¹. В спектре FTIR колебания, наблюдаемые в области 2853–2920 cм⁻¹, соответствуют симметричным и асимметричным колебаниям растяжения C–H алифатических –CH₂– групп. Такое явление можно объяснить наличием органического остатка в составе образца. Наблюдаемая полоса поглощения около 1637 см⁻¹ соответствует колебаниям изгиба H–O–H. Полоса поглощения в области 1400–1550 см⁻¹ свидетельствует о наличии карбонатных групп.

Основная интенсивная полоса FTIR-спектра локализована в диапазоне 1200–900 см^-1. Наиболее сильная и широкая полоса поглощения в области 1000–1080 см⁻¹ этого неорганического полимера связана с асимметричными колебаниями растяжения связей Si–O–Si и Si–O–Al, что подтверждает формирование алюмосиликатной сети.

Дополнительные полосы поглощения в области 790–800 см⁻¹ и 460–470 см⁻¹ связаны с деформационными колебаниями связей Si–O и Al–O. В низкочастотной области спектра (600–450 см⁻¹), помимо деформационных колебаний Si–O и Al–O, наблюдаются полосы, соответствующие связям M–O (металл–кислород). Данные полосы свидетельствуют о формировании устойчивой неорганической алюмосиликатной сети, содержащей металлоксидные связи. Фазовый состав и кристаллическая структура алюмосиликатного сорбента, синтезированного из местной глины, были изучены с помощью рентгенографического анализа (рис. 2). Рентгенодифракционные исследования образцов проводились на порошковом дифрактометре XDR -6100 (Shimadzu, Japan), оснащенном Cu трубкой (Kα1 = 1,5406 Å). Устройство выполнено под воздействием излучения CuKα (сила тока и напряжение в рентгеновской трубке 30 мА, 40 кВ). Измерения проводились при комнатной температуре в диапазоне углов 2θ, в режиме поэтапного сканирования в диапазоне от 5° до 80° с шагом 0,007 градуса. Полученный дифракционный анализ выявил несколько четких пиков, указывающих на наличие кристаллических минеральных фаз, характерных для неорганических полимерных алюмосиликатных материалов.

Наиболее интенсивные дифракционные пики, наблюдаемые на рентгенограмме, соответствуют кристаллической фазе кварца (SiO₂), который часто встречается в природных глинистых минералах. Характерные дифракционные пики кварца были определены приблизительно при 2θ = 20,8°, 26,6°, 36,5° и 50,1°. Наличие кварца свидетельствует о высокой структурной стабильности синтезированного сорбента.

Помимо кварца были обнаружены несколько дифракционных пиков, связанных со слоистыми алюмосиликатными минералами. Эти пики могут относиться к таким глинистым минеральным фазам, как каолинит, иллит или монтмориллонит, которые являются типичными составляющими природных глинистых материалов. Дифракционные пики, наблюдаемые в области 2θ = 12°–15° и 24°–27°, указывают на наличие слоистых алюмосиликатных структур, образованных тетраэдрической кремнеземной и октаэдрической алюмоксидной структурами.

Интенсивность и распределение этих пиков указывают на то, что синтезированный материал имеет частично кристаллическую структуру. В результате процесса термической активации, применяемого при приготовлении сорбента, образовался более активный алюмосиликатный каркас.

Заключение

Синтезирован неорганический полимерный сорбент на основе модифицированной почвы, состоящий из кремний- и алюминийсодержащего материала. Для определения физико-химических свойств полученного сорбента был проведен FTIR и рентгенографический анализ. Синтезированный материал может быть использован в процессах очистки водных растворов от тяжелых металлов и органических загрязнителей.

Список литературы:

1. Khudaiberganov M.S., Dimetova F.D.K., Rakhmatkarieva F.G., Abdurakhmanov E.B. Hydroterminal synthesis of powder zeolite NAXL // Universum: chemistry and biology. 2022. No. 8-1 (98). [Electronic resource]. - Access mode: https://cyberleninka.ru/article/n/gidrotermalnyy-sintez-poroshkovogo-tseolita-naxl (date of access: 05/30/2026).
2. Amakiri K.T., Canon A.R., Molinari M., Angelis-Dimakis A. Review of oilfield produced water treatment technologies // Chemosphere. — 2022. — Vol. 298. —134064. doi: 10.1016/j.chemosphere.2022.134064.
3. Brigatti M.F., Galan E., Theng B.K.G. Structures and mineralogy of clay minerals // Developments in Clay Science. Science. — Elsevier Ltd, 2006. — Vol. 1. — Pp. 19–86.
4. Cravillon J., Schröder C.A., Bux H., Rothkirch A., Caro J., Wiebcke M. Formate modulated solvothermal synthesis of ZIF-8 investigated using time-resolved in situ X-ray diffraction and scanning electron microscopy // CrystEngComm. — Vol. 14. — 2012. — Pp. 492–498. https://doi.org/10.1039/C1CE06002C
5. Gupta V.K., Suhas. Application of low-cost adsorbents for dye removal--a review // Journal of Environmental Management. — 2009. — Vol. 90(8). — Pp. 2313–2342. doi: 10.1016/j.jenvman.2008.11.017.
6. Jisha Kuttiani Ali, Arangadi H.G., Abdul Fahim Le, Phuong Pham Tu, Moraetis, Daniel, Pavlopoulos, Kosmas, Alhseinat, Emad. Comprehensive assessment of the capacity of sand and sandstone from aquifer vadose zone for the removal of heavy metals and dissolved organics // Environmental Technology & Innovation. — 2023. — Vol. 29. — P.102993.
7. Khudoyberganov M., Rakhmatkarieva F., Abdurakhmonov E., Tojiboeva I., Todjiyeva X. Thermodynamics of water adsorption on local kaolin modified microporous sorbents // AIP Conference Proceedings «1st International Conference on Problems and Perspectives of Modern Science (ICPPMS-2021)» AIP Conference Proceedings. — 2022. — Vol. 2432. — 010001 https://doi.org/10.1063/12.0009761
8. Mustafayeva G.T., Raxmatkariyeva F.G., Xudayberganov M.S. Mahalliy xomashyo asosida noorganik polimer sorbent olish // Qo‘qon DPI. Ilmiy xabarlar. — Vol. 8. — № 3. — 2026. — Pp. 3030–3958.
9. Xudayberganov M.S, Rakhmatkarieva F.G., Abduraxmonov E.B. Mahalliy kaolindan nanog’ovakli adsorbentlar sintezi // Машинасозлик илмий-техника журнали. — Махсус сон. — № 1. — 2021 й. [Электронный ресурс]. — Режим доступа:  www.andmiedu.uz (дата обращения: 11.05.2025).
10. Yang Y.J., et al. Investigating adsorption performance of heavy metals onto humic acid from sludge using Fourier-transform infrared combined with two-dimensional correlation spectroscopy // Environmental Science and Pollution Research. — 2019. — Vol. 26 (10). — Pp. 9842–9850.