CC BY
3
CHEMICAL SCIENCES
SORPTION CAPACITY OF INTERCALATED MONTMORILLONITE WITH RESPECT TO WATER VAPOR
12 3
Toktabaev E.R. , Seitnazarova O.M. , Abdikamalova A.B. (Republic of Uzbekistan)
1Toktabaev ErnazarRustembaevich - master's student;
2Seitnazarova Oksana Muratbaevna - PhD, associate professor;
3Aziza Bakhtiyarovna Abdikamalova - Doctor of Chemical Sciences, Professor, DEPARTMENT OF PHYSICAL AND COLLOID CHEMISTRY, KARAKALPAK STATE UNIVERSITY, NUKUS, REPUBLIC OF UZBEKISTAN
Abstract: this article is devoted to the study of the sorption capacity of intercalated montmorillonite in relation to water vapor, as well as the effect of a humid environment on the structural and textural characteristics of these materials. The study was conducted using indicator methods and long-term storage of samples. The results obtained make it possible to assess the stability of the adsorption properties of materials and to warn against the loss of their functionality under the influence of a humid environment. Particular attention is paid to mononuclear chromium pillars, which proved to be the most resistant to the effects of adsorption processes. Keywords: montmorillonite, sorption, water, texture characteristics, wet environment, mononuclear pillars, stability.
СОРБЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ ИНТЕРКАЛИРОВАННОГО МОНТМОРИЛЛОНИТА ПО ОТНОШЕНИЮ К ПАРАМ ВОДЫ Токтабаев Е.Р.1, Сейтназарова О.М.2, Абдикамалова А.Б.3 (Республика Узбекистан)
1Токтабаев Ерназар Рустембаевич - магистрант; 2Сейтназарова Оксана Муратбаевна - PhD, доцент;
3Абдикамалова Азиза Бахтияровна - доктор химических наук, профессор, кафедра физической и коллоидной химии, Каракалпакский государственный университет, г. Нукус, Республика Узбекистан
Аннотация: данная статья посвящена исследованию сорбционной способности интеркалированного монтмориллонита по отношению к парам воды, а также воздействию влажной среды на структурные и текстурные характеристики данных материалов. Исследование проводилось с использованием эксикаторных методов и длительного хранения образцов. Полученные результаты позволяют оценить устойчивость адсорбционных свойств материалов и предостеречь от потери их функциональности под воздействием влажной среды. Особое внимание уделено моноядерным пилларам хрома, которые оказались наиболее стойкими к воздействию адсорбционных процессов.
Ключевые слова: монтмориллонит, сорбция, вода, текстурные характеристики, влажная среда, моноядерные пиллары, устойчивость.
Известно, что монтмориллонитовые глины среди других алюмосиликатов отличаются высокой гидрофильностью. Молекулы воды, проникая между отдельными пакетами агрегатов и даже между слоями монтмориллонита, способны раздвигать их до полного удаления друг от друга. Это обстоятельство придает монтмориллониту значительно высокие адсорбционные показатели по отношению к водной среде и парам воды. Кроме того, данные
минералы обладают повышенной адсорбционной активностью и к другим полярным жидкостям. Однако, под воздействием водной или других полярных сред, кристаллическая структура монтмориллонита разрушается, что может негативно сказаться на характеристиках материалов, включая адсорбенты, катализаторы, носители и другие продукты на основе монтмориллонита [1, 2].
В связи с этим, целью нашего исследования является изучение адсорбционных характеристик обогащенного Крантауского бентонита (КР) и пиллар материалов, созданных на его основе, включая полиоксокатионы Сг3+ (0"-КР) и смешанные полиоксокатионы Al3+ и Ст3* (Сг-А1-КР) [3]. Мы также нацеливаемся на изучение устойчивости адсорбционной активности этих материалов под воздействием влажной среды.
Изотермы адсорбции паров воды на обогащенном Крантауском бентоните (КР) и его прокаленной версии при 550°С имеют разные формы и значения. Процесс прокаливания приводит к удалению как физически, так и химически адсорбированной воды, что ведет к слипанию слоев монтмориллонита при температуре свыше 500°С.
Согласно рис. 1, изотермы адсорбции паров воды на образцах КР обладают формой, которая сходна с изотермами II типа в соответствии с классификацией ИЮПАК. Максимальное количество адсорбированной воды для КР и его прокаленной формы составляет 5,9 и 3,2 миллимоля на грамм, соответственно.
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Р/РБ
Рис. 1. Изотермы адсорбции паров воды на образцах: 1) КР и 2) КР, прокаленный при 550°С.
Пилларирование несколько увеличивает объем микропор, следовательно, в результате этого должно наблюдаться повышение количеств адсорбции молекул воды при низких относительных давлениях. Как можно заметить из данных рис. 2 интеркалирование крупных катионов привело к увеличению количеств адсорбции в начальный момент процесса. Однако, общее количество адсорбированной воды меньше по сравнению с исходном бентонитом. Это связано, тем что пилларированные нанокластеры в межслоевом пространстве ММ из оксидов соответствующих металлов фиксируют кремнекислородные пласты в определенном расстоянии, что практически уменьшает адсорбцию в области Р/Р0=1. Интеркалированные материалы хотя не отличаются высокими значениями максимальной адсорбции, однако их пиллар формы показывают не меньшие адсорбционные показатели и значения адсорбции воды составляют 4,1 и 4,0 ммоль/г.
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Р/Рб
Рис. 2. Изотермы адсорбции паров воды на образцах: 1) Cr-Al-КР; 2) Cr-КР и их прокаленных формах
(3 и 4), соответственно.
Для определения степени стабильности исследуемых объектов были проведены адсорбционные исследования с использованием эксикаторного метода. Экспериментальные образцы были хранены в лабораторных условиях в эксикаторе в течение 10 месяцев. После этого они подверглись дегидратации при температуре 100°C, и затем была проведена повторная оценка их адсорбционной активности.
Результаты показали, что наименьшей степени воздействия подверглись пиллар-формы, полученные путем прокаливания при 550°С В то время как не прокаленные интеркалированные формы монтмориллонита имели недостатки, такие как уменьшение микропористости и снижение удельной поверхности.
Через проведение 5 циклов адсорбции и десорбции начинается процесс уменьшения объема микропор, что связано с изменениями в структуре межслойных колонок, содержащих оксиды (гидроксиды) металлов. В результате повторных процессов адсорбции и десорбции паров воды, вероятно, происходит частичное растворение межслойных оксидов, и этот процесс продолжается при воздействии влажной атмосферы. Однако было обнаружено, что пиллар-материалы могут храниться длительное время без проведения циклов адсорбции и десорбции (более года) без заметного снижения показателей поверхности.
Из результатов, представленных на графике, видно, что моноядерные пиллары хрома оказались более устойчивыми к воздействию адсорбционных процессов. В связи с этим удельная поверхность образцов снизилась приблизительно в 1,3-1,5 раза. Дополнительное увеличение числа циклов адсорбции и десорбции до 9-10 раз привело к уменьшению объема микропор более чем в 2 раза.
Анализ показателей качества поверхности исходного КР проводился после хранения в эксикаторах, и полученные данные представлены в табл. 1.
Таблица 1. Зависимость текстурных характеристик образцов от хранения.
Образец S® м2/г Общий объем пор, см3/г r, нм
Начальные характеристики
КР 112,01 0,128 2,34
Cr-КР 162,76 0,133 1,61
Cr/Al- КР 148,02 0,127 1,77
Через 3 месяца
КР 89,56 0,132 2,93
Cr- КР 145,35 0,133 1,81
Cr/Al- КР 132,42 0,134 1,98
Полученные результаты экспериментов явно указывают на отрицательное воздействие влажного воздуха на структуру алюмосиликатов, причем это воздействие более выражено на модифицированных формах. Удельная поверхность образцов, которые были прокалены при 550°C и были хранены в течение года, снизилась всего на 10%. В то время как уменьшение удельной поверхности модифицированных форм более значительно, как в порошкообразной, так и в форме гранул, при этом снижение составило до 20% за полгода и до 50% за год.
Научные исследования, проведенные в данной работе, подчеркивают важность анализа сорбционной способности интеркалированного монтмориллонита относительно паров воды и воздействия влажной среды на его структуру и свойства. Полученные результаты и выводы позволяют сделать ключевые выводы, о том, что монтмориллонитовые глины, из-за своей высокой гидрофильности, проявляют высокую адсорбционную способность к воде и паровым формам воды. Однако, влажная среда может негативно воздействовать на структуру монтмориллонита и его пиллар форм, изменяя их текстурные и пористые характеристики.
Модифицированные формы монтмориллонита, подвергнутые прокаливанию при высокой температуре (550°C), оказались менее устойчивыми к воздействию влажной среды по сравнению с исходными формами.
Список литературы /References
1. Ding Z., Kloprogge J.T., Frost R.L., Lu G.Q., Zhu H.Y. Porous clays and pillared clays-based catalysts. Part 2: A review of the catalytic and molecular sieve applications // Journal of Porous Materials. 2001. № 4(8). D01:10.1023/A:1013113030912.
2. ThengB.K.G. Clay Mineral Catalysis of Organic Reactions. Boca Raton: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2018.: CRC Press, 2018. . ISBN:9780429465789.
3. Mamataliev N., Abdikamalova A., Eshmetov I., Kalbaev A. Adsorption activity of pillared clays with respect to vapors of organic adsorbates Journal of Chemical Technology and Metallurgy, 2023, 58(6), PP. 1028-1036.
