ТЕРМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ КОРАУЗАКСКОГО ВЕРМИКУЛИТА И АНИОНИТА, ПОЛУЧЕННОГО НА ЕГО ОСНОВЕ

УДК 66.01

АННОТАЦИЯ

В данной научной работе исследована термическая стабильность кораузакского вермикулита и синтезированного на его основе ионообменного материала с применением комплексного термического анализа, включающего термогравиметрический анализ (ТГ), дифференциальный термогравиметрический анализ (ДТГ) и дифференциальный термический анализ (ДТА). Полученные результаты позволили детально оценить особенности термического поведения исследуемых материалов в широком интервале температур и выявить основные стадии их термического разложения. Установлено, что кораузакский вермикулит в температурном интервале 100–600 °C подвергается поэтапному разложению, которое сопровождается последовательным удалением адсорбционной и структурно связанной воды, а также постепенной деструкцией неустойчивых оксидных соединений, входящих в его состав. Для синтезированного анионообменного материала VMT-PFA выявлено, что процессы удаления влаги и частичного разложения органических компонентов начинаются уже при температуре около 100 °C. При этом материал сохраняет относительную термическую стабильность до 125 °C, что указывает на ограниченный температурный диапазон его устойчивого использования. В интервале более высоких температур наблюдается активное протекание процессов термической деструкции. Полученные данные подтверждают возможность применения исследуемых материалов в технологических процессах, протекающих при умеренных температурных условиях.

ABSTRACT

In this study, the thermal stability of Korauzak vermiculite and an ion-exchange material synthesized based on it was investigated using a comprehensive thermal analysis approach, including thermogravimetric analysis (TG), differential thermogravimetric analysis (DTG), and differential thermal analysis (DTA). The obtained results allowed for a detailed evaluation of the thermal behavior of the studied materials over a wide temperature range and the identification of the main stages of their thermal decomposition. It was established that Korauzak vermiculite undergoes a stepwise decomposition in the temperature interval of 100–600 °C, which is accompanied by the successive removal of adsorbed and structurally bound water, as well as the gradual degradation of unstable oxide compounds present in its structure. For the synthesized anion-exchange material VMT-PFA, it was found that the processes of moisture removal and partial decomposition of organic components begin at approximately 100 °C. At the same time, the material retains relative thermal stability up to 125 °C, indicating a limited temperature range for stable application. At higher temperatures, intensive thermal degradation processes are observed. The obtained results confirm the potential application of the investigated materials in technological processes operating under moderate temperature conditions.

Ключевые слова: кораузакский вермикулит, ионит, композиционный материал, термогравиметрия (ТГ), дифференциальный термический анализ (ДТА), термическая стабильность, деструкция, функционально-ионообменные группы, вспученный вермикулит, анионит VMT-PFA.

Keywords: Korauzak vermiculite, ion-exchange material, composite material, thermogravimetric analysis (TG), differential thermal analysis (DTA), thermal stability, degradation, functional ion-exchange groups, expanded vermiculite, VMT-PFA anion exchanger.

Введение

В последние годы, с учетом возрастающей потребности в применении сорбентов в различных отраслях промышленности, к данным материалам предъявляется ряд важных требований. К ним относятся: наличие развитой удельной поверхности и высоких сорбционных свойств по отношению к различным ионам; нерастворимость в воде и органических растворителях; устойчивость к воздействию повышенных температур и механических нагрузок; экономическая доступность и возможность многократного использования; химическая инертность по отношению к различным реагентам — окислителям, кислотам и основаниям; а также соответствие технико-экономическим и экологическим требованиям при очистке сточных вод [1].

Получение новых ионообменных композиционных материалов, обладающих перечисленными свойствами и устойчивых к различным внешним воздействиям, относится к числу сложных научно-технологических задач. В связи с этим состав и структура синтезированных ионитов были исследованы с использованием современных физико-химических методов. Одним из важнейших требований, предъявляемых к эффективным ионитам, применяемым в промышленности, является их термическая и химическая устойчивость [2,3].

Цель исследования — изучение термического разложения и оценка термической устойчивости кораузакского вермикулита и анионообменного материала VMT-PFA методами ТГ, ДТГ и ДТА. Исследованы термические свойства природного вермикулита и сорбента, синтезированного на его основе с использованием ПЭПА и формальдегида. Термическая стабильность материалов изучена указанными методами, полученные результаты проанализированы и обсуждены. На рисунке 1 представлена термоаналитическая установка «DERIVATOGRAPH» фирмы «MOM» (Венгрия) и ее схематическое изображение.

Результаты исследования позволили уточнить поэтапное изменение термической стабильности оксидных компонентов, входящих в состав вермикулита. Также установлено, что наличие органических компонентов в материале VMT-PFA снижает его термическую устойчивость, и определены пределы его стабильности. Полученные данные дополняют существующие научные представления и способствуют более точной интерпретации термического поведения исследуемых материалов.

Результаты и обсуждения

При использовании композиционных материалов в различных технологических и химических процессах одним из важнейших требований является устойчивость ионитов к воздействию высоких температур без изменения их химической структуры, состава и сорбционных свойств.

Рисунок 2. Термoаналитическая дериватограмма природного черноозакского вермикулита

Определение начальной стадии и температуры термического разложения ионитов в гигроскопическом состоянии позволяет сделать выводы о структуре композита и термической устойчивости его функционально-ионоогенных групп [4,5].

Рисунок 3.  Термоаналитическая дериватограмма вспученного вермикулита

Рисунок 4. VMT-PFA anionitining derivatogrammasi

По результатам ТГ, ДТГ и ДТА установлены основные стадии термического разложения вермикулита и анионообменного материала VMT-PFA. Для вермикулита эндотермический эффект при 103 °C соответствует удалению адсорбционной и связанной воды. Эндотермические процессы при 142, 256 и 334 °C связаны с началом разложения менее устойчивых оксидных компонентов. В диапазоне 400–600 °C происходит дальнейшее разложение более термически устойчивых соединений, включая оксидные формы алюминия и аналогичные структуры[6,7,8].

Для материала VMT-PFA основные изменения массы начинаются около 100 °C и связаны с удалением влаги и частичным разложением органических компонентов. Введение органической фазы снижает его термическую устойчивость по сравнению с вермикулитом, при этом материал сохраняет стабильность до 125,44 °C. В диапазоне 341–508 °C наблюдается интенсивная термическая деструкция. Полученные результаты подтверждают особенности термического поведения и позволяют оценить пределы термической устойчивости материала для практического применения[9,10].

Заключение

На основании термического анализа установлены основные особенности поведения кораузакского вермикулита и синтезированного на его основе VMT-PFA. Показано, что вермикулит характеризуется многостадийным термическим разложением в интервале 100–600 °C, обусловленным удалением воды и разрушением оксидных компонентов различной устойчивости. Для VMT-PFA установлено снижение термической стабильности по сравнению с исходным вермикулитом вследствие введения органических групп. Материал сохраняет устойчивость до 125,44 °C, после чего наблюдается интенсивная деструкция органической части (341–508 °C). Полученные результаты позволяют оценить пределы термической устойчивости исследованных материалов и обосновать их применение в процессах при умеренных температурах.

Список литературы:

1. Bekchanov D. et al. Sorption of cobalt (II) and chromium (III) ions to nitrogen‐and sulfur‐containing polyampholyte on the basis of polyvinylchloride. Polymers for Advanced Technologies. – 2021. – Т. 32. – №. 7. – С. 2700-2709. DOI: 10.1002/pat.5298
2. Муртозакулов М. Р. У. и др.Очистка растворов на основе метилдиэтаноламина от термически стабильных солей. Universum: химия и биология. – 2025. – Т. 1. – №. 10 (136). – С. 49-55. DOI: 10.32743/UniChem.2025.136.10.18342
3. Sh L. S., Jo‘rayev A. M.Materials based on organic raw materials with polymer binding and sorption functions (based on local sources) сборник тезисов. – 2025. – С. 317.
4. Хушвактов С. Ю. У. и др. Сорбция ионов меди (II) и никеля (II) на азот-и серосодержащем полиамфолите Universum: Химия и биология. – 2019. – №. 11-1 (65). – С. 66-70
5. Турсунмуратов О. Х. Получение ионообменных материалов на основе вермикулита из кораузяка Universum: технические науки. – 2026. – Т. 5. – №. 1 (142). – С. 63-65.
6. Мухамедиев М. Г., кизи Усманова Х. Х., Бекчанов Д. Ж. Сравнительное изучение адсорбции ионов Cu (II) из водных растворов промышленными ионитами и ионообменными системами на их основе Сорбционные и хроматографические процессы. – 2025. – Т. 25. – №. 4. – С. 540-547. (In Russ.)
7. Gulbakhor B. [Production of anionite by modification of polyvinyl chloride in the presence of urea] Universum: химия и биология. – 2024. – Т. 2. – №. 2 (116). – С. 50-54.
8. Goyibnazarov, I. S. U., Yuldoshov, S. A., Yarmatov, S. S., Yunusov, K. E., Sarymsakov, A. A., Shukurov, A. I. U., ... & Inkhonova, A. (2025). Physico-chemical characteristics of dialdehyde carboxymethylcellulose/sericin graft copolymer. Journal of Polymer Research, 32(6), 205. DOI: 10.1007/s10965-025-04059-0 
9. Khushvaktov S. et al. Sorbtic kinetics of chromium (VI) ions to anion exchanger. AIP Conference Proceedings. – AIP Publishing LLC, 2022. – Т. 2432. – №. 1. – С. 050038. DOI: 10.1063/5.0090792  
10. Бабожонова Г. К. и др. Кинетика сорбции ионов Cо (II) из растворов на анионообменника.Universum: химия и биология. – 2021. – №. 10-1 (88). – С. 79-83.

References:

1. Bekchanov D. et al., [Sorption of Cobalt (II) and Chromium (III) Ions to Nitrogen‐and Sulfur‐Containing Polyampholyte on the Basis of Polyvinylchloride], Polymers for Advanced Technologies, 2021, Vol. 32, No. 7, pp. 2700-2709. DOI: 10.1002/pat.5298 (In Russ.).
2. Murtazakulov M.R.U. et al., [Cleaning of Solutions Based on Methyldiethanolamine from Thermally Stable Salts], Universum: Khimiya i Biologiya, 2025, Vol. 1, No. 10 (136), pp. 49-55. DOI: 10.32743/UniChem.2025.136.10.18342 (In Russ.).
3. Sh L. S., Jo‘rayev A. M., [Materials Based on Organic Raw Materials with Polymer Binding and Sorption Functions (Based on Local Sources)], sbornik tezisov, 2025, pp. 317. (In Russ.).
4. Khushvaktov S.Y.U. et al., [Sorption of Copper (II) and Nickel (II) Ions on Nitrogen- and Sulfur-Containing Polyampholyte], Universum: Khimiya i Biologiya, 2019, No. 11-1 (65), pp. 66-70. (In Russ.).
5. Tursunmuratov O.Kh., [Production of Ion Exchange Materials Based on Vermiculite from Kora-Uzyak], Universum: Tekhnicheskie Nauki, 2026, Vol. 5, No. 1 (142), pp. 63-65. (In Russ.).
6. Mukhamediev M.G., kizi Usmanova Kh.K., Bekchanov D.Zh., [Comparative Study of Adsorption of Cu (II) Ions from Aqueous Solutions by Industrial Ion Exchangers and Ion Exchange Systems Based on Them], Sorbtsionnye i Khromatograficheskie Protsessy, 2025, Vol. 25, No. 4, pp. 540-547. (In Russ.).
7. Gulbakhor B., [Production of Anionite by Modification of Polyvinyl Chloride in the Presence of Urea], Universum: Khimiya i Biologiya, 2024, Vol. 2, No. 2 (116), pp. 50-54. (In Russ.).
8. Goyibnazarov I.S.U., Yuldoshov S.A., Yarmatov S.S., Yunusov K.E., Sarymsakov A.A., Shukurov A.I.U., ... & Inkhonova A., [Physico-Chemical Characteristics of Dialdehyde Carboxymethylcellulose/Sericin Graft Copolymer], Journal of Polymer Research, 2025, Vol. 32, No. 6, 205. DOI: 10.1007/s10965-025-04059-0 (In Russ.).
9. Khushvaktov S. et al., [Sorbtic Kinetics of Chromium (VI) Ions to Anion Exchanger], AIP Conference Proceedings, AIP Publishing LLC, 2022, Vol. 2432, No. 1, pp. 050038. DOI: 10.1063/5.0090792 (In Russ.).
10. Babojonova G.K. et al., [Kinetics of Sorption of Co (II) Ions from Solutions on Anion Exchangers], Universum: Khimiya i Biologiya, 2021, No. 10-1 (88), pp. 79-83. (In Russ.).