Адсорбция воды гибридными нанокомпозициями хитозан-кремнезем

АННОТАЦИЯ

Прецизионным адсорбционно-калориметрическим методом исследована сорбция паров воды нанокомпозициями хитозан и кремнезем. Изотермы обработаны уравнениями теории объемного заполнения микропор (ТОЗМ), и зависимость времени установления адсорбционного равновесия (τ). Спектральное исследование синтезированных гибридных хитозан-кремнеземных нанокомпозитов проводили на ИК спектрофотометре с Фурье преобразованием.

ABSTRACT

The sorption of water vapor by nanocompositions of chitosan and silica was studied using a precision adsorption-calorimetric method. The isotherms were calculated by the equations of the theory of volumetric filling of micropores (TVFM), and the dependence of the time of establishment of adsorption equilibrium (τ). A spectral study of the synthesized hybrid chitosan-silica nanocomposites was carried out on a Fourier transform IR spectrophotometer.

Ключевые слова: хитозан-кремнезем, нанокомпозиция, сорбция, изотерма, ТОЗМ, ИК-Фурье спектроскопия.

Keywords: chitosan-silica, nanocomposition, sorption, isotherm, TVFM, FT-IR spectroscopy.

Хитозан-природный биополимер, обладающий рядом уникальных свойств, таких как высокая реакционная способность, устойчивость к радиации, большая сорбционная емкость и селективность по отношению к переходным и тяжелым металлам, хорошая адгезия, биосовместимость с живыми тканями, биодеградируемость, биоинертность. Являясь пленкообразующим материалом, хитозан используется для получения мембранных материалов [4, 5, 10, 11].

Полисахарид-кремнеземные нанокомпозиционные материалы на основе биополимеров и кремнезема проявляют свойства как кремнезема, так и биомолекулы. Но в отличие от исходных биомолекул, они приобретают и качественно новые свойства, которые можно регулировать, добавляя в золь-гель процесс различные сшивающие агенты, порообразователи, соли металлов и другие добавки. Это зависит от предназначения конечного гибридного композита. Такие продукты востребованы и поэтому исследования по их получению является актуальным [3-9].

Целью работы является исследование адсорбционных и физических свойств гибридных хитозан-кремнеземных нанокомпозиционных материалов, полученных золь-гель методом [10].

Изотермы адсорбции воды на хитозан-кремнеземных гибридных нанокомпозиционных материалах в полулогарифмических координатах представлена на рис.1. На рис.1 приведена также теоретически рассчитаннае изотерма адсорбции воды на хитозан-кремнеземном гибридном нанокомпозиции, которая указана черными треугольниками.

Из рис.1 видно, что расчетные данные на основе ТОЗМ хорошо согласуются с экспериментальными. Изотерма адсорбции воды в гибридных нанокомпозиционных материалах хорошо описывается трехчленным уравнением ТОЗМ:

а = 0,375 exp[-(A/10,5)²] + 0,829 exp[-(A/5,64)⁵ + 1,755 exp[-(A/1,15)]

Рассчитанные по уравнению данные хорошо согласуются с экспериментальными.

На рис.2. представлена зависимость времени установления адсорбционного равновесия от заполнения гибридных хитозан-кремнеземных нанокомпозиций молекулами воды.

Рисунок 1. Изотерма адсорбции воды в хитозан-кремнеземных гибридных нанокомпозиционных материалах при 303К. Черные точки – рассчитаны с помощью ТОЗМ.	Рисунок 2. Время установления адсорбционного равновесия в зависимости от величины адсорбции воды в хитозан-кремнеземных гибридных нанокомпозиционных материалах.

Время установления адсорбционного равновесия в области формирования адсорбат-адсорбент замедлено и доходит до ~8,9 часов. Адсорбционное равновесие в гидрофильных центрах устанавливается в среднем за ~2 часа [1, 2].

С помощью инфракрасного спектрофотометра с Фурье преобразованием были получены ИК-спектры синтезированных образцов: хитозан-кремнезем (рис.3.), хитозан-кремнезем-глицерин (рис.4.), (в соотношениях 1:7,5 и 1:7,5:2 соответственно).

Рисунок 3. ИК-спектр нанокомпозита хитозан-кремнезем

В ИК спектре (рис.3.) хитозан-кремнезем наблюдается возникновение широкополосного пика при 3448 см^-1 с низкой интенсивностью, относящийся к валентными колебаниями ν(OH) и ν(NH₂) хитозана, а также широкой полосой в области 900-1300 см^-1 с пиком при 1092см^-1, относящийся к валентным колебаниям ν(Si-O) силоксановых групп Si-O-Si. Полосы поглощения средней интенсивности при 799 см^-1, а также при 467 см^-1 отнесены к деформационным колебаниям Si-O-Si группам.

Рисунок 4. ИК-спектр нанокомпозита хитозан-кремнезем-глицерин

В ИК спектре хитозан-кремнезем-глицерин (рис.4.) наблюдается возникновение широкополосного пика при 3448 см^-1 с низкой интенсивностью, относящийся к валентными колебаниями ν(OH) и ν(NH₂) Хитозана, а также широкой полосой в области 900-1300 см^-1 с пиком при 1092см^-1, относящийся к валентным колебаниям ν(Si-O) силоксановых групп Si-O-Si. Также наблюдается некоторое повышение полосы поглощения средней интенсивности при 798 см^-1, и при 471 см^-1 которые относятся к деформационным колебаниям Si-O-Si группам.

На основе проведённых исследований «Адсорбционные и термодинамические свойства гибридных нанокомпозиций хитозан-кремнезем с водой» представлены следующие обоснованные выводы:

1. Исследованы изотермы адсорбции воды гибридными хитозан-кремнеземными нанокомпозиционными материалами на прецизионной адсорбционной-калориметрической установке.
2. Изотермы обработаны уравнениями теории объемного заполнения микропор. Изотерма адсорбции воды в гибридных нанокомпозиционных материалах хорошо описывается трехчленным уравнением ТОЗМ.
3. Термокинетика адсорбции паров воды в хитозан-кремнеземных нанокомпозитах показывает, что время установления адсорбционного равновесия замедлено и доходит до 8,9 часов. Адсорбционное равновесие на гидрофильных центрах устанавливается в среднем за 2 часа.
4. Методом ИК-Фурье спектроскопии доказано, что полученный хитозан-кремнеземный нанокомпозиционный материал методом золь-гель технологии в присутствии глицерина показывает, что в гибридном материале характерны полосы поглощения функциональных групп.

Список литературы:
1. Акбаров Х.И., Яркулов А.Ю. Термодинамика взаимодействия компонентов гибридных полимер-кремнеземных нанокомпозиций // Современные проблемы науки о полимерах. Узбекско-Казахский Симпозиум. 28-29 сентября 2018. Ташкент 2018. -С. 75-76.
2. Akbarov Kh.I., Rakhmatkariev G.U., Yakubov Yo’.Yu., Yarkulov A.Yu. Precession adsorption-calorimetric investigations of hybrid diacetate cellolose-silica nanocompositions // VII International workshop. «Specialty polymers for environment protection, oil industry, bio, nanotechnology and medicine» September 7-9, 2017, Almaty, 2017. -P. 41.
3. Budnyak Т.M., Tetykh V.А., Yanovska E.S. Chitosan and its derivatives as sorbents for effective removal of metal ions. Surface // -2013. -V.5 (Suppl 20). -P. 118–134.
4. Clément Sanchez, Beatriz Julian-Lopez, Philippe Belleville, Michael Popall. Application of hybrid organic–inorganic nanocomposites. Journal of Materials Chemistry 15(35-36): 2005, P. 3559-3592.
5. Daniel Elieh-Ali-Komi, Michael R Hamblin. Chitin and Chitosan: Production and Application of Versatile Biomedical Nanomaterials. International Journal of Advanced Research (2016), Volume 4, Issue 3, 411-427.
6. Kumar R, Majeti N.V. A review of chitin and chitosan applications // React Funct Polym. -2000. V.46 -P. 1–27.
7. Lai S.M., Yang Arthur J.M., Chen W.C., Hsiao J.F. The properties and preparation of chitosan/silica hybrids using sol–gel process // Pol-Plast Tech Eng. -2006. -V. 45. -P. 997–1003.
8. Li C.B., Hein S., Wang K. Biosorption of chitin and chitosan // Mater Sci Technol. -2008. -V.24 (Suppl.9). -P. 1088–97.
9. Podust T.V., Kulik T.V., Palyanytsya B.B., Gun’ko V.M., Tóth A., Mikhalovska L., et al. Chitosan-nanosilica hybrid materials: preparation and properties // Appl Surf Sci. -2014. -V.320. -P. 563–569.
10. Rashidova S.Sh., Shakarova D.Sh., Ruzimuradov O.N., Satubaldieva D.T., Zalyalieva S.V., Shpigun O.A., Varlamov V.P., Kabulov B.D. Bionanocompositional chitosan-silica sorbent for liquid chromatography. J Chromatogr B Analyt Technol Biomed Life Sci. 2004. 800(1-2):49-53.
11. Tyukova I.S., Suvorova A.I., Okuneva A.I., Shishkin E.I. Preparation and Structure of Chitosan-Silica Organic-Inorganic Hybrid Films. Polymer Science Series B 52(9):2010, P. 564-570.