CC BY
7
УДК 544.35+539.21
Широких С.А., Загоскин П.С., Королёва М.Ю.
ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРА НАНОЧАСТИЦ FE3O4 НА СОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПОРИСТОГО ПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИТА
Широких Сергей Александрович, аспирант кафедры наноматериалов и нанотехнологии, e-mail: serega-teo@mail.ru
Загоскин Павел Станиславович, магистрант 1 года обучения кафедры наноматериалов и нанотехнологии, Королёва Марина Юрьевна, д.х.н., профессор кафедры наноматериалов и нанотехнологии
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047 Москва, Миусская пл., д. 9
Было исследовано влияние размера наночастиц Fe3O4 на сорбционные свойства пористых сополимеров стирола и дивинилбензола. Показано, что при добавлении наночастиц размером 40 нм в состав пористого полимерного сорбента количество поглощенной за 5 мин воды снижается от 16,4 ± 0,5 г/г до 6,4 ± 0,5 г/г, а количество поглощенного трансмиссионного масла увеличивается от 17,5 ± 0,5 г/г до 20,0 ± 0,5 г/г. При уменьшении размера наночастиц до 10 нм количество поглощенной воды уменьшается до 3,8 ± 0,5 г/г, а количество поглощенного масла увеличивается до 22,5 ± 0,5 г/г.
Ключевые слова: пористый нанокомпозит, высокопористый сополимер стирола и дивинилбензола, высококонцентрированная обратная эмульсия, сорбция нефтепродуктов
EFFECT OF THE SIZE OF FeaO4 NANOPARTICLES ON THE SORPTION PROPERTIES OF A POROUS POLYMER COMPOSITE
Shirokikh S.A., Zagoskin P.S., Koroleva M.Yu.
Mendeleev University of Chemical Technology, Moscow, Russia
The influence of the size of Fe3O4 nanoparticles on the sorption properties of porous copolymers of styrene and divinylbenzene was studied. It has been shown that when 40 nm nanoparticles are added to the composition of a porous polymeric sorbent, the amount of water absorbed in 5 min decreases from 16.4 ± 0.5 g/g to 6.4 ± 0.5 g/g, and the amount of absorbed gear oil increases from 17.5 ± 0.5 g/g to 20.0 ± 0.5 g/g. As the nanoparticle size decreases to 10 nm, the amount of absorbed water decreases to 3.8 ± 0.5 g/g, while the amount of absorbed oil increases to 22.5 ± 0.5 g/g.
Keywords: porous nanocomposite, highly porous poly(styrene-co-divinylbenzene), highly concentrated W/O emulsion, oil sorption
Негативные последствия аварийных разливов нефтепродуктов на почве и поверхности воды при их добыче, транспортировке и эксплуатации остаются серьезной экологической проблемой. Рост потребления нефтепродуктов с развитием технологического прогресса приводит к необходимости разработки мероприятий и материалов для устранения последствий таких разливов. Среди методов устранения аварийных разливов нефтепродуктов с поверхности воды можно выделить применение сорбентов, так как использование данного метода после первичной механической очистки позволяет удалять тонкие нефтяные пленки.
Основными требованиями, предъявляемыми к сорбентам нефтепродуктов, являются высокая сорбционная ёмкость, плавучесть, гидрофобность, возможность повторного использования. Данным требованиям удовлетворяют пористые полимерные материалы. Одним из подходов к получению материалов такого типа является метод полимеризации дисперсионной среды обратных высококонцентрированных эмульсий [1, 2]. Данный метод позволяет за счет выбора состава исходных эмульсий, методов их получения и параметров процесса полимеризации изменять размер пор и
пористость получаемых полимерных материалов, и, как следствие, их сорбционные свойства. При использовании в качестве дисперсионной среды исходных эмульсий распространенных в промышленности стирола и дивинилбензола можно получить относительно дешевый и эффективный сорбент нефтепродуктов [3, 4]. Для облегчения сбора сорбента с поверхности воды после окончания процесса сорбции в матрицу пористого материала можно внедрить магнитные наночастицы. При этом помимо придания сорбенту магнитных свойств наночастицы влияют на устойчивость исходных обратных высококонцентрированных эмульсий и структуру получаемых материалов [5].
В выполненной работе было проведено исследование влияния размера наночастиц FeзO4 на сорбционные свойства пористых сополимеров стирола и дивинилбензола.
Наночастицы FeзO4 разного размера были получены методами соосаждения и старения. На рисунке 1 представлены ПЭМ-микрофотографии полученных наночастиц. По данным
микрофотографиям были определены средние размеры наночастиц FeзO4, которые составили 10 ± 1 нм и 40 ± 5 нм.
100 нм
Рис. 1. ПЭМ-изображения наночастиц FeзO4, полученных методом соосаждения, размером 10 ± 1 нм (а), и полученных методом старения, размером 40 ± 5 нм (б)
Для исследования влияния размера наночастиц на сорбционные свойства пористых полимерных материалов были получены сополимеры стирола и дивинилбензола полимеризацией дисперсионной среды обратных высококонцентрированных эмульсий. Доля дисперсной фазы исходных эмульсий составляла 0,95, в качестве стабилизатора использовался сорбитанмоноолеат (ГЛБ 4,3) с концентрацией 10 об.% от объема дисперсионной среды. Наночастицы Без04 в виде порошка в количестве 10 мас.% от массы сомономеров добавляли в предварительно полученную смесь стирола, дивинилбензола и сорбитанмоноолеата. После этого при постоянном перемешивании в органическую фазу по каплям добавляли бидистиллированную воду с предварительно растворенным в ней пероксидисульфатом аммония, использовавшимся в качестве инициатора радикальной полимеризации. Полученные эмульсии исследовали с помощью оптического микроскопа, после чего помещали в муфельную печь при 65 °С до окончания полимеризации дисперсионной среды и удаления водной фазы. Также для сравнения были получены пористые сополимеры стирола и
дивинилбензола, не содержащие наночастицы Без04. Полученные композиционные полимерные материалы исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа для изучения структуры и определения среднего размера пор.
На рисунке 2 для сравнения показаны структуры обратной высококонцентрированной эмульсии и пористого композиционного полимерного материала, содержащие 10 мас.% наночастиц Без04 размером 40 нм.
Рис. 2. Оптическая микрофотография обратной
эмульсии (а) и СЭМ-изображение структуры высокопористого полимерного композиционного материала (б). Концентрация наночастиц FeзO4 размером 40 нм - 10 мас.%
Средний диаметр капель дисперсной фазы в эмульсиях без наночастиц Бе304 и в эмульсиях, содержащих 10 мас.% наночастиц размером 40 нм, составил 2,7 ± 0,2 и 2,2 ± 0,2 мкм соответственно. Средний диаметр пор в пористых материалах из сополимера стирола и дивинилбензола без наночастиц и с вышеуказанными наночастицами Без04 был равен 4,0 ± 0,3 и 3,5 ± 0,3 мкм соответственно.
Для определения влияния размера наночастиц Без04 на сорбционные свойства сополимеров стирола и дивинилбензола было исследовано поглощение сорбентом воды и трансмиссионного масла. Полученные кинетические кривые сорбции жидкостей представлены на рисунке 3.
Ра змер на ноча стнц
20 Fe304 нм: -©-Без НЧ -•-40
2 3 4 Время, мин
Размер наночастиц
Fe304 нм:
2 3 4
Время, мин
Рис. 3. Кинетические кривые сорбции воды (а) и трансмиссионного масла (б) высокопористыми сополимерами стирола и дивинилбензола без наночастиц и с 10 мас.% наночастиц Fe3O4 разных размеров
Из полученных кинетических кривых видно, что при добавлении наночастиц Fe3O4 размером 40 нм в состав пористого полимерного сорбента количество поглощенной за 5 мин воды снижалось 16,4 ± 0,5 г/г до 6,4 ± 0,5 г/г, а количество поглощенного трансмиссионного масла увеличивалось от 17,5 ± 0,5 г/г до 20,0 ± 0,5 г/г. При уменьшении размера
наночастиц до 10 нм количество поглощенной воды уменьшалось до 3,8 ± 0,5 г/г, а количество поглощенного масла увеличивалось до 22,5 ± 0,5 г/г. При этом время достижения равновесия в процессе сорбции трансмиссионного масла уменьшалось от 3 до 1 мин при добавлении наночастиц Fe3O4 размером 10 нм. Изменение сорбционных свойств пористых полимерных композитов при добавлении наночастиц Fe3O4 может быть связано с увеличением гидрофобности поверхности вследствие частичной адсорбции сорбитанмоноолеата на поверхности наночастиц при получении исходных эмульсий и уменьшении его количества на поверхности открытых пор полученных композитов.
Данная работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 20-03-00397).
Список литературы
1. Королева М. Ю., Щербаков В.А., Хасанова Л.Х., Ракитин А.И., Широких С.А., Юртов Е.В. устойчивость обратных высококонцентрированных эмульсий и структура высокопористого полистирола, полученного на их основе // Коллоидный журнал. -2018. - Т. 80. - №. 3. - С. 290-299.
2. Широких С.А., Кулиева Л.Э., Королева М.Ю., Юртов Е.В. Влияние устойчивости высококонцентрированных эмульсий со стиролом и дивинилбензолом на структуру высокопористого сополимера на их основе // Коллоидный журнал. -2020. - Т. 82. - №. 6. - С. 771-780.
3. Koroleva M.Y., Shirokikh S.A., Zagoskin P.S., Yurtov E.V. Controlling pore sizes in highly porous Poly (Styrene-Divinylbenzene) sponges for preferable oil sorption // Polymer Testing. - 2019. - Vol. 77 - No. 105931.
4. Koroleva M.Yu., Shirokikh S.A., Khasanova L.Kh., Babusenko E.S., Yurtov E.V. Highly porous polymeric sponges for oil sorption // Mendeleev Communications. - 2019. - Vol. 29. - P. 176-177.
5. Широких С.А., Клевцова Е.О., Савченко А.Г., Королёва М.Ю. Устойчивость обратных высококонцентрированных эмульсий с магнитными наночастицами и структура высокопористых полимеров, образующихся из таких эмульсий // Коллоидный журнал. - 2021. - Т. 83. - №. 6. - С. 727737.
