АДСОРБЦИЯ НЕПОЛЯРНЫХ И ПОЛЯРНЫХ МОЛЕКУЛ БИОНАНОКОМПОЗИЦИЯМИ ДИАЦЕТАТЦЕЛЛЮЛОЗА-КРЕМНЕЗЕМ

ADSORPTION OF NONPOLAR AND POLAR MOLECULES BY DIACETATE CELLULOSE-SILICA BIONANOCOMPOSITIONS
Цитировать:
АДСОРБЦИЯ НЕПОЛЯРНЫХ И ПОЛЯРНЫХ МОЛЕКУЛ БИОНАНОКОМПОЗИЦИЯМИ ДИАЦЕТАТЦЕЛЛЮЛОЗА-КРЕМНЕЗЕМ // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. Умаров Б.С. [и др.]. 2022. 7(97). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/14031 (дата обращения: 18.08.2022).
Прочитать статью:

 

АННОТАЦИЯ

Прецизионным адсорбционно-калориметрическим методом исследована адсорбция паров н-гептана и аммиака бионанокомпозициями диацетат целлюлозы (ДАЦ) и кремнезем. Определены их дифференциальные теплоты адсорбции гибридными нанокомпозиционными материалами ДАЦ-кремнезем.

ABSTRACT

The adsorption of n-heptane and ammonia vapors by bionanocomposites of cellulose diacetate (DAC) and silica was studied by a precision adsorption-calorimetric method. The differential heats of adsorption of n-heptane and ammonia vapors in hybrid nanocomposite materials DAC-silica have been determined.

 

Ключевые слова: ДАЦ, кремнезем, бионанокомпозиция, н-гептан, аммиак, изотерма, теплота адсорбции.

Keywords: DAC, silica, bionanocomposition, n-heptane, ammonia, isotherm, heat of adsorption.

 

Введение. Наряду с развитием золь-гель-химии органо-неорганические гибридные материалы в последнее время привлекают большое внимание как в промышленности, так и в научных исследованиях. Вдохновляясь естественными процессами биоминерализации, которые, как считается, регулируются белками и полисахаридами, многие недавние исследования сосредоточены на включении полисахарида в неорганическую сеть с помощью золь-гель процесса, управляемого полисахаридом, начиная с предшественников алкоксисилоксана [1-3]. В настоящее время органо-неорганические гибридные материалы на основе полисахаридов приобретают все большее значение при разработке функциональных биоматериалов [4, 5]. Которые выгодно отличаются от материалов, полученных с помощью обычных химических сшивающих реагентов, поскольку они обладают такими преимуществами, как низкая токсичность и высокая биосовместимость.

Гибриды органо-неорганических полимеров являются привлекательными материалами для оптических устройств, методов разделения, биосенсоров, конструкционных материалов, катализаторов и их носителей. Пористость является ключевым свойством материалов, в которые используются для приготовления катализаторов, носителей и адсорбентов, и при этом важными параметрами являются высокая площадь поверхности и контроль размера пор.

Анализ литературных данных указывает на отсутствие данных по механизму и термодинамическим свойствам адсорбции неполярных и полярных молекул гибридными ДАЦ-кремнеземными бионанокомпозициями. В частности, на основе изучения адсорбционных свойств гибридных ДАЦ-кремнеземных бионанокомпозиции, структуры пористости, количества активных центров (гидрофиль/гидрофоб), их силы и природы на высоковакуумной адсорбционной микрокалориметрической установке будут получены многочисленные данные, которые послужат достижению практических и научных результатов.

Целю данной работы является исследование прецизионным адсорбционно-калориметрическим методом адсорбции паров н-гептана и аммиака бионанокомпозициями ДАЦ-кремнезем и определение дифференциальных теплот адсорбции.

Экспериментальная часть. Прецизионные адсорбционно-калориметрические исследования проводились на универсальной высоковакуумной объемной установке, позволяющей проводить дозировку адсорбата объемно-жидкостным методом и подключенным к ней изотермическим дифференциальным автоматическим микрокалориметром типа Тиана-Кальве [6, 7].

Адсорбционные измерения проводились на универсальной высоковакуумной объемной установке, позволившей проводить адсорбционные измерения и дозировку адсорбата с высокой точностью. Перед началом опыта адсорбенты откачивались в течение 10 ч до высокого вакуума 10-5-10-6 Па [8].

Результаты и их обсуждение

Изотермы адсорбции н-гептана и аммиака в полулогарифмических координатах на ДАЦ-кремнеземных гибридных бионанокомпозиционных материалах представлены на рис.1 и 2.

 

Рисунок 1. Изотерма адсорбции н-гептана на диацетатцеллюлоза-кремнеземном гибридном бионанокомпозиционном материале при 303К

Рисунок 2. Изотерма адсорбции аммиака на диацетатцеллюлоза-кремнеземном гибридном бионанокомпозиционном материале при 303К

 

При низких давлениях изотерма н-гептана поднимается практический линейно до ln(p/pо)=-11,78, с увеличением давления изотерма имеет вогнутый вид, и достигает насыщения 0,89 ммоль/г. Изотерма аммиака при низких давлениях поднимается линейно до ln(p/pо)=-2,64 с увеличением давления кривая монотонно возрастает до насыщения 2,068 ммоль/г. Резкий подъем изотерм указывает на наличие в бионанокомпозите активных центров, на которым происходит мгновенная адсорбция, а также на однородность микропор и высокую сорбционную способность [9, 10].

Исследование теплоты и энтропии адсорбции важно для изучения адсорбат-адсорбентного и адсорбат-адсорбатного взаимодействий в адсорбентах с различной структурой поглощения. Использование метода компенсации тепловых потоков эффектом Пельтье позволило более чем на порядок увеличить точность измерения теплоты адсорбции. Изотермы адсорбции находится в полном согласии с дифференциальными теплотами адсорбции н-гептана и аммиака на гибридном бионанокомпозите ДАЦ-кремнезем, которые представлены на рис. 3-4.

Адсорбция н-гептана на гибридных ДАЦ-кремнеземных бионанокомпизитах при заполнениях (до 0,5 ммоль/г) имеет ступенчатый вид, а теплота адсорбции понижаются от 94 до 84 кДж/моль (рис.3.) и сопровождается резким падением теплоты от 84 кДж/моль, далее идет приблизительно до теплоты конденсации н-гептана (36,13 кДж/моль). Адсорбция н-гептана во всей энергетической гидрофобной области меняется приблизительно на каждой ступени в пределах 0,08 ммоль/г.

 

Рисунок 3. Дифференциальная теплота адсорбции н-гептана на диацетатцеллюлоза-кремнеземном гибридном бионано-композиционном материале при 303К, горизонтальная штриховая линия-теплота конденсации н-гептана при 303К

 

Рисунок 4. Дифференциальная теплота адсорбции аммиака на диацетатцеллюлоза-кремнеземном гибридном бионано-композиционном материале при 303К, горизонтальная штриховая линия-теплота конденсации аммиака при 303К

 

Из рис.4. видно, что приведенная кривая имеет сложный ступенчатый вид. В дальнейшем эти волны на кривой для простоты условно будем называть ступенями, появление их также связано со структурными изменениями при взаимодействии в системе адсорбат–адсорбент. Кривая теплоты адсорбции аммиака на ДАЦ-кремнеземном материале указывает о наличие двух гидрофильных центров, где на первом из них адсорбирует 0,40 ммоль/г аммиака, теплотой адсорбции равной 38,7 кДж/моль. На вторых гидрофильных центрах в соответствии со ступенями кривой Qd её можно выделить 9 секций с теплотой адсорбции, меняющейся от 29,5 кДж/моль до теплоты конденсации.

Сложный характер изотерм и значений дифференциальных теплот адсорбции отражают тонкие детали адсорбционного взаимодействия между адсорбатом и адсорбентом, а также между адсорбатами [11, 12].

Адсорбция аммиака в первой энергетической гидрофильной области меняется в пределах 0,07-0,467 ммоль/г и сопровождается резким падением теплоты адсорбции от 34,10 до 29,50 кДж/моль. Во второй относительно низкоэнергетической гидрофильной области адсорбция аммиака меняется от 0,467 ммоль/г до полного насыщения, причём на каждый из 9 секциях равна 0,2 ммоль/г и при этом она характеризуется незначительным понижением теплоты адсорбции от 29,5 кДж/моль приблизительно до теплоты конденсации аммиака (20 кДж/моль).

Выводы

  1. Исследовано изотерма адсорбции н-гептана поднимается практический при низких давлениях линейно до ln(p/pо)=-11,78, с увеличением давления изотерма имеет вогнутый вид, и достигает насыщения 0,89 ммоль/г. Изотерма аммиака при низких давлениях поднимается линейно до ln(p/pо)=-2,64 с увеличением давления кривая монотонно возрастает до насыщения 2,068 ммоль/г.
  2. Дифференциальные теплоты адсорбции н-гептана и аммиака в гибридном ДАЦ-кремнеземном бионанокомпозиционном материале имеет ступенчатый вид, на котором н-гептан и аммиак адсорбируется теплотой, равной 94 и 38,7 кДж/моль, соответственно.

 

Список литературы:

  1. Sequeira, S; Evtuguin, DV; Portugal, I. preparation and properties of cellulose-silica hybrid composites // Journal of Polymer Composites. -2009. -V.30(9). -Р. 1275-1282.
  2. Vandana Singh, Preeti Srivastava, Angela- Singh, Devendra Singh, Tulika Malviya. Polysaccharide-Silica Hybrids: Design and Applications // Journal of Polymer Reviews. -2016. -V.56(1). -Р. 113-136.
  3. J.E. Meegan, A. Aggeli, N. Boden, R. Brydson, A.P. Brown, L. Carrick, A.R. Brough, A. Hussain, R.J. Ansell. Designed Self-Assembled β-Sheet Peptide Fibrils as Templates for Silica Nanotubes Adv. Funct. Mater. V- 14(1), 2004, P. 31-37.
  4. Yurii A. Shchipunov, Tat'yana Yu. Karpenko Hybrid Polysaccharide-Silica Nanocomposites Prepared by the Sol−Gel Technique // J. Langmuir. -2004. V-.20(10). -P. 3882-3887.
  5. K. Molvinger, F. Quignard, D. Brunel, M. Boissi` ere, J.M. Devoisselle. Porous Chitosan-Silica Hybrid Microspheres as a Potential Catalyst. Chem. Mater. 16 (2004) 3367-3372.
  6. Akhror Yarkulov, Bakhrom Umarov, Feruza Rakhmatkarieva, Nuritdin Kattaev, Khamdam Akbarov, Elyor Berdimurodov // Diacetate cellulose-silicon bionanocomposite adsorbent for recovery of heavy metal ions and benzene vapours: An experimental and theoretical investigation. Biointerface Research in Applied Chemistry. Open-Access Journal (ISSN: 2069-5837). Volume 12, Issue 3, 2022, 2862 – 2880
  7. Abdurakhmonov Eldor Baratovich, Rakhmatkarieva Firuza Gayratovna, Ergashev Oybek Karimovich Determination of ammonia’s adsorption properties in NaLSX zeolite by calorimetric method // "International Journal of Materials and Chemistry" 2020.
  8. Якубов Йулдош Юсупбоевич, Рахматкариева Фируза Гайратовна Дифференциальные теплоты и изотерма адсорбции н-гексана в цеолите НZSM-5//Universum: химия и биология. Выпуск: 11(77) Ноябрь 2020. Часть 2. C.44-47.
  9. A.Yu.Yarkulov, 1B.U.Sagdullayev, 1B.S.Umarov, 2F.G.Rakhmatkariyeva, 1Kh.I.Akbarov// Precision Adsorption-Calorimetric Investigations Of Thermodynamic Properties Of Hybrid Nanocompositions Of Diacetate Cellulose-Silica. International Journal of Advanced Science and Technology. Vol. 29, No. 12s, (2020), pp. 2936-2943
  10. Адсорбционные и термодинамические свойства механических смесей и нанокомпозиций хитозан-кремнезем // Universum: Химия и биология: электрон. научн. журн. Яркулов А.Ю. [и др.]. 2020. № 3(69). URL: http://7universum.com/ru/nature/archive/item/8907
  11. Адсорбция воды гибридными нанокомпозициями хитозан-кремнезем // Universum: Химия и биология : электрон. научн. журн. Яркулов А.Ю. [и др.]. 2020. № 6(72). URL: http://7universum.com/ru/nature /archive /item /9475
  12. Адсорбция бензола гибридными нанокомпозициями хитозан-кремнезема // Universum: Химия и биология: электрон. научн. журн. Яркулов А.Ю. [и др.]. 2020. № 6(72). URL: http://7universum.com/ ru/nature/archive/item/9479
Информация об авторах

старший преподаватель кафедры физической и коллоидной химии Национального университета Узбекистана имени Мирзо Улугбека, 100174, Узбекистан, г. Ташкент, Вузгородок

Senior lecturer of the Physical and colloid chemistry Chair of Mirzo Ulugbek National University of Uzbekistan, 100174, Uzbekistan, Tashkent, Vuzgorodok

доц. кафедры физической химии Национального университета Узбекистана имени Мирзо Улугбека, Республика Узбекистан, г. Ташкент

Docent of the Physical chemistry Chair of Mirzo Ulugbek National University of Uzbekistan, Republic of Uzbekistan, Tashkent

д-р хим. наук, ведущий научный сотрудник, лаборатории «Металлургические процессы и материалы»  Институт общей и неорганической химии АН Республики Узбекистан, Республика Узбекистан, г. Ташкент

DSc, leading researcher, «metallurgical processes and materials» laboratory  Institute of General and Inorganic Chemistry of Uzbek Academy Science, Uzbekistan, Tashkent 

доктор химический наук, профессор кафедры физической и коллоидной химии Национального университета Узбекистана имени Мирзо Улугбека, 100174, Узбекистан, г. Ташкент, Вузгородок

Doctor of Chemical sciences, professor, Physical and colloid chemistry Chair of Mirzo Ulugbek National University of Uzbekistan, 100174, Uzbekistan, Tashkent, Vuzgorodok

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), регистрационный номер ЭЛ №ФС77-55878 от 17.06.2013
Учредитель журнала - ООО «МЦНО»
Главный редактор - Ларионов Максим Викторович.
Top