Адсорбция воды гибридными нанокомпозициями хитозан-кремнезем

Adsorption properties of hybrid nanocompositions chitosan-silica with water
Цитировать:
Адсорбция воды гибридными нанокомпозициями хитозан-кремнезем // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. Яркулов А.Ю. [и др.]. 2020. № 6 (72). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/9475 (дата обращения: 27.11.2022).
Прочитать статью:

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.

 

Информация об авторах

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

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

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

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 

Синьцзянский технический институт физики и химии Академии Наук Китая, Китайская Народная Республика

XinjiangTechnical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences, The People’s Republic of China

ст. науч. сотр. Центра передовых технологий при Министерстве Инновационного развития РУз, Узбекистан, г. Ташкент

Senior Research Associate, Centre of Advanced Technologies, at the Ministry of Innovation Development of the Republic of Uzbekistan

мл. науч. сотр. Центра передовых технологий при Министерстве Инновационного развития РУз, Узбекистан, г. Ташкент

Yunior Research Associate, Centre of Advanced Technologies, at the Ministry of Innovation Development of the Republic of Uzbekistan

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