15Academic Research in Educational Sciences VOLUME 2 | ISSUE 11 | 2021
ISSN: 2181-1385
Scientific Journal Impact Factor (SJIF) 2021: 5.723 Directory Indexing of International Research Journals-CiteFactor 2020-21: 0.89
DOI: 10.24412/2181-1385-2021-11-1151-1154
ФРАКТАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА СОРБЕНТА ХИТОЗАНА
Ж. Т. Азимов
Академия Вооруженных Сил РУз azimov_it@mail.ru
АННОТАЦИЯ
На образцах хитозана экспериментально изучена адсорбция молекул различных сорбатов: воды, этанола и пропанола. На основе модели Брунауэра - Эммета - Теллера оценены параметры сорбента. С помощью формулы Мандельброта (см. [2]) рассчитана фрактальная размерность поверхности хитозана (D = 2.60). Предложена альтернативная модель адсорбции структурирующегося сорбата (например, воды), позволяющая определить параметры пары «сорбент - сорбат».
Ключевые слова: Хитозан, адсорбция, сорбент, фрактальная размерность
ВВЕДЕНИЕ
Полимер хитозан, как показывают исследования последних лет [1], поражает разнообразием своих свойств и - как следствием этого - широтой своего применения как в бионанотехнологии, так и нанобиотехнологии. Сорбционные свойства хитозана - одно из его базовых физико-химических свойств. Предполагается, что большая сорбционная емкость хитозана связана как с амфотерностью поверхности хитозана, так и с аномальной большой её разветвлённостью, степень же разветвлённости может быть охарактеризована количественно - это фрактальная размерность [2]. Цель настоящей работы получить качественную и количественную информацию о фрактальной размерности образцов хитозана; исследование имеет экспериментально -теоретический характер.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Для изучения сорбционных свойств хитозана в парах воды, этилового спирта, пропилового спирта использована высоковакуумная сорбционная установка с ртутными затворами и кварцовыми весами Мак-Бена. Исследование проводили при помощи катетометра КМ-8 при остаточном
Academic Research in Educational Sciences VOLUME 2 | ISSUE 11 | 2021
ISSN: 2181-1385
Scientific Journal Impact Factor (SJIF) 2021: 5.723 Directory Indexing of International Research Journals-CiteFactor 2020-21: 0.89
DOI: 10.24412/2181-1385-2021-11-1151-1154
давлении 10 3 Паи температуре 25 °С[3]. Для исследования сорбционных свойств хитозана использовали образцы со степенью деацетилирования 91%, со средним размером частиц порядка 100 мкм, с исходной массовой долей влаги не более 12%. Адсорбаты обезгаживались непосредственно в вакуумной установке, и давление паров соответствовало табличным (табл.1).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Эксперимент. Показано, что значения сорбции и рассчитанные сорбционные характеристики зависят от вида используемого сорбата (таблица 1).
Таблица 1. Сорбция паров сорбатов полимером при 25 С
Образец Хитозан
Относительное давление, % С о р б ц и я в %
Сорбат Вода этанол Пропанол
10 1.00 0.20 0.10
30 2.20 0.40 0.20
50 2.80 0.50 0.40
65 3.60 0.80 0.50
80 4.60 1.30 0.80
90 5.40 1.80 1.10
100 7.00 2.50 1.50
Изотермы адсорбции, соответствующие изучаемым случаям, приведены на рисунке 1.
Рисунок 1. Изотермы сорбции сорбатов на хитозан при 250С.
Academic Research in Educational Sciences VOLUME 2 | ISSUE 11 | 2021
ISSN: 2181-1385
Scientific Journal Impact Factor (SJIF) 2021: 5.723 Directory Indexing of International Research Journals-CiteFactor 2020-21: 0.89
DOI: 10.24412/2181-1385-2021-11-1151-1154
На основе сорбционных данных, полученных из эксперимента, по уравнению Брунауэра - Эммета - Теллера (см. [3]) определили емкость монослоя , удельную поверхность Syd, суммарный объем пор W0 и средний
радиус субмикроскопических капилляров г. (Таблица 2).
Таблица 2. Сорбционные характеристики образцов:
Образец Хитозан
Сорбат вода этанол Пропанол
Xm, ä/ä 0.0205 0.0035 0.0017
Syd , м Vг 72.06 11.40 5.05
W, ci Yä 0.070 0.0317 0.0186
0 rK, A 19.19 55.58 73.67
Как видно из таблицы 2, при сорбции паров воды удельная
поверхность Syd равно 72,06 м2/г, а при переходе к спиртам сорбционная способность хитозана уменьшается: для этилового спирта S^ = 11,40 м2/г и W = 0,03 ci Yä; Соответственно для пропилового спирта имеем S^ = 5,05 м2/г и W = 0,02 ci Yä. Налицо прослеживается определённая закономерность и она требует теоретической трактовки.
Фрактальная размерность сорбента. В последние годы исследователи пришли к выводу, что существует интегральная характеристика сорбентов, называемая их фрактальной размерностью [2,4].
Суть этого подхода применительно к адсорбции состоит в нахождении характеристики, определяющей особого типа свойства масштабной инвариантности применительно к неупорядоченной шероховатой поверхности, такой, что для идеально гладкой сорбирующей поверхности размерность равна D = 2, тогда как для максимально шероховатой поверхности D = 3; в случае же реальной поверхности 2 < D < 3.
Математически эта характеристика - фрактальная размерность применительно к адсорбции описывается выражением [2]: %"D (1) где ~ - количество молекул, сорбируемых поверхностью, % -характерный размер («диаметр») молекулы - сорбата. Поскольку n ~ удельной сорбирующей поверхности Syd, то используя набор % для воды (lg 0.41),
этанола (lg %2 « 0.63) и пропанола (lg % « 0.85) и соответствующие величины для
Google Scholar Scientific Library of Uzbekistan
Academic Research, Uzbekistan 1153 www.ares.uz
Academic Research in Educational Sciences VOLUME 2 \ ISSUE 11 \ 2021
ISSN: 2181-1385
Scientific Journal Impact Factor (SJIF) 2021: 5.723 Directory Indexing of International Research Journals-CiteFactor 2020-21: 0.89
DOI: 10.24412/2181-1385-2021-11-1151-1154
lg Syd (табл. 2), с помощью обработки Рис. 2 на основе метода наименьших квадратов, получим
lg = const - 2.60lg 4 (2)
т.е. D = 2.60 , что физически весьма разумно. ь s^ 1.86
tos
O.TO
0,41 0.63 OjS5 luí
Рис. 2. Изменения удельной поверхности адсорбции как функции размера
молекул сорбата
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выполнены адсорбционные эксперименты (сорбент - хитозан; сорбат -вода, этанол, пропанол), которые трактуются в рамках фрактальных свойств поверхности. Методом наименьших квадратов показано, что фрактальная размерность образцов хитозана равна D = 2.6. Предложена альтернативная модель адсорбции вещества, у которого реализуется кооперативное упорядочение, на основе чего оказывается возможным получить как фрактальную размерность сорбента, так и критическую температуру сорбата.
Развитые выше представление о фрактальной размерности поверхности хитозана представляет большой интерес обобщить и к другим полимерам [6].
REFERENCES
1. Рашидова С.Ш., Милушева Р.Ю. Хитин и хитозан Bombyx mori. Ташкент: ФАН, 2009. - 246 с.
2. Федер Е. Фракталы. М: Мир, 1991. - 254 с.
3. Практикум по полимерному материаловедению под редакцией Г.Г. Бабаевского. М: Химия, 1980. - 528 с.
4. Avnir D., Farin D., Pfeifer P. Molecular fractal surfaces // Nature. - 1984. - v. 308. - p. 261.
5. Тагер A.A. Физико-химия полимеров. М: Научный мир, 2007. - 576 с.
