Email this article 
Исследование зависимости изменения заряда поверхности от степени замещения Mg на Al в синтетических смектитах
- Authors: Аликина Ю.А.1, Хамова Т.В.1, Голубева О.Ю.1
-
Affiliations:
- Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова РАН
- Issue: Vol 50, No 2 (2024)
- Pages: 261-265
- Section: КРАТКОЕ СООБЩЕНИЕ
- URL: https://bakhtiniada.ru/0132-6651/article/view/263191
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0132665124020142
- EDN: https://elibrary.ru/QXABAH
- ID: 263191
Cite item
Full Text
Abstract
Исследована зависимость ζ-потенциала поверхности синтетических алюмосиликатов со структурой монтмориллонита систематически меняющегося состава Na2x(Al2(1-x), Mg2x)Si4O10(OH)2⋅nH2O, где 0.1 ≤ x ≤0.9, от химического состава образцов и pH среды. Показано влияние степени изоморфного замещения атомов магния на алюминий на характер изменения ζ-потенциала. Повышение степени изоморфного замещения и увеличение pH среды сопровождается увеличением отрицательного заряда поверхности образцов. Полученные результаты позволяют осуществлять выбор оптимальных составов алюмосиликатных сорбентов для извлечения разнозаряженных ионов из водных растворов с различными значениями pH, а также для использования в качестве носителей лекарственных препаратов.
Keywords
Full Text
Cинтетические слоистые силикаты представляют собой важный класс материалов, который имеет структурные преимущества природных минералов и при этом не обладает их недостатками. Наличие примесей, некотролируемый химический и дисперсионный состав, неоднородность поверхности могут ограничивать более широкое применение природных глин в ряде областей, например в медицине, где требуется строгий контроль данных параметров. Полученные путем направленного гидротермального синтеза алюмосиликаты обладают комплексом заданных характеристик, таких как фазовый состав, размер и морфология частиц, наличие активных центров на поверхности различной природы, высокая удельная поверхность и сорбционная емкость (например, [1–4]). Все это делает их одними из наиболее перспективных материалов широкого спектра применения. Слоистые силикаты смектитового ряда активно используются в качестве наполнителей, для очистки воды и воздуха от различных загрязнений, при адсорбции тяжелых металлов, радионуклидов, биоцидных соединений и других органических молекул [5–9]. Ввиду низкой токсичности синтетические алюмосиликаты могут использоваться в качестве носителей протиовоопухолевых препаратов, а также антибиотиков, что позволит сократить дозу лекарства и уменьшить риск развития резистентности [10–11].
Многие лекарственные препараты в растворе могут иметь как катионную (имипрамин, перфеназин, доксорубицин и др.), так и анионную форму (например, 5-фторурацил), в связи с чем возникает необходимость исследования особенностей изменения ζ-потенциала поверхности адсорбентов с целью оценки возможности адсорбции разнозаряженных ионов из водных растворов. В глинистых минералах типа 2 : 1 поверхностный заряд возникает на тетраэдрических сетках за счет гидролиза связей Si–OH или Al–OH. В зависимости от структуры кремния и pH раствора суммарный поверхностный заряд может быть положительным или отрицательным. При pH ниже pH точки нулевого заряда (pH0) глина будет обладать анионообменной способностью, а при pH > pH0 — катионообменной [12].
В данной работе была исследована зависимость изменения заряда поверхности от pH среды синтетических алюмосиликатов группы смектита (составы образцов и их обозначения приведены в табл. 1), полученных в гидротермальных условиях по ранее описанной методике [2]. В качестве образца сравнения использовался природный бентонит (месторождение — Хакасия, 10-й Хутор).
Таблица 1. Состав и обозначение образцов
Обозначение образца | Состав по синтезу | Содержание оксидов по EDX анализу, мас.% | |||||||
SiO2 | Al2O3 | MgO | Fe2O3 | Na2O | CaO | TiO2 | K2O | ||
Al0.2 | Na1.8Al0.2Mg1.8Si4O10(OH)2.H2O | 57.9 | 5.7 | 19.6 | – | 3.5 | – | ||
Al0.5 | Na1.5Al0.5Mg1.5Si4O10(OH)2.H2O | 58.4 | 17.9 | 2.9 | – | - | – | – | |
Al1.0 | Na1.0Al1.0Mg1.0Si4O10(OH)2.H2O | 58.2 | 27.4 | 10.1 | – | 4.4 | – | – | |
Al1.2 | Na0.8Al1.2Mg0.8Si4O10(OH)2.H2O | 57.6 | 27.9 | 7.8 | – | 4.3 | |||
Al1.8 | Na0.2Al1.8Mg0.2Si4O10(OH)2.H2O | 57.8 | 29.4 | 2.6 | – | 2.0 | – | – | – |
Бентонит | – | 46.6 | 16.1 | 3.3 | 2.6 | 1.9 | 0.7 | 0.5 | 0.5 |
Рентгенофазовый анализ образцов проводили с использованием порошкового дифрактометра Rigaku Corporation, SmartLab 3, CuKα-излучение, режим работы — 40 кВ/40 мА. Элементный анализ алюмосиликатов проводили на сканирующем электронном микроскопе Tescan Vega 3SBH (TESCANBRNO, s. r. o., Чешская Республика), оборудованном рентгеновским микроанализатором (РМА) энергодисперсионного типа x-Act Energy (Oxford Instruments, Tubney Woods, Abingdon, Оксфордшир, Великобритания). ζ-потенциал образцов определяли с использованием анализатора размеров частиц и ζ-потенциала NaniBrook 90 PlusZeta (Brookehaven Instruments Corporation, США). Предварительно готовили суспензию, диспергируя 25 мг образца в 50 мл деионизированной воды и подвергая полученную суспензию ультразвуковой обработке низкой мощности (50 Вт) в течение двух мин на ультразвуковом процессоре UP50H. Для приготовления суспензии использовали деионизированную воду, полученную из дистиллированной воды при помощи установки «Водолей» (НПП «Химэлектроника»), с удельной проводимостью не более 0.2 мк См/см. Значения pH среды варьировали в диапазоне от 2 до 11, используя растворы HCl («х.ч.») и NaOH (50% водный раствор). Величину pH измеряли при помощи цифрового pH-метра МЕГЕОН PH 17206, точность измерений составляет ± 0.1 pH.
Синтезированы однофазные образцы смектитового ряда с различной степенью изоморфного замещения магния на алюминий, о чем свидетельствуют приведенные дифрактограммы (рис. 1а) и данные энергодисперсионного анализа (табл. 1). Природный бентонит наряду с глинистыми минералами (монтмориллонит, каолинит) содержит примеси кварца и кальцита.
Рис. 1. Дифрактограммы синтетических образцов (а) и природной бентонитовой глины (б). Обозначение основных фаз: М — монтмориллонит (PDF № 13–135), К — каолинит (PDF № 13–135), * — кварц (PDF № 46–1045), ∆ — кальцит (PDF № 1–837)
На рис. 2 приведен график зависимости ζ-потенциала от pH среды для синтетических смектитов различного состава, а также природной бентонитовой глины. Результаты показывают, что с увеличением содержания оксида алюминия в синтетических образцах с 5 до 29% происходит увеличение по модулю значений дзета-потенциала. При этом природная бентонитовая глина характеризуется наименее отрицательным поверхностным зарядом. По мере уменьшения значений pH среды с 11 до 2 все образцы становятся менее электроотрицательными, что типично для большинства алюмосиликатов [12].
Рис. 2. Зависимость ζ-потенциала от pH среды для синтетических МТ различного состава и природной бентонитовой глины
Состав Al1.0 демонстрирует наиболее значительные изменения ζ-потенциала поверхности в зависимости от pH: при увеличении pH от 2 до 11 отрицательный заряд поверхности увеличивается более чем на 20 мВ. В целом, синтетические монтмориллониты всех составов имеют более отрицательный заряд поверхности по сравнению с природной бентонитовой глиной, что позволяет сделать вывод о потенциале их использования для извлечения, прежде всего, катионов из водных растворов. Рост заряда поверхности в области кислых значений pH свидетельствует о возможности использования таких материалов для адсорбции анионов из растворов с повышенной кислотностью.
ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ
Работа выполнена в рамках государственного задания ИХС РАН (тема № 1023033000085-7-1.4.3).
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы данной работы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
About the authors
Ю. А. Аликина
Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова РАН
Author for correspondence.
Email: morozowa_u_a@mail.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург
Т. В. Хамова
Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова РАН
Email: morozowa_u_a@mail.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург
О. Ю. Голубева
Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова РАН
Email: morozowa_u_a@mail.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург
References
- Голубева О. Ю., Ульянова Н. Ю., Костырева Т. Г., Дроздова И. А., Мокеев М. В. Синтетические наноглины со структурой монтмориллонита: получение, структура и физико-химические свойства // Физ. и хим. стекла. 2013. Т. 39. № 5. С. 753–763.
- Golubeva O. Yu. Effect of synthesis conditions on hydrothermal crystallization, textural characteristics and morphology of aluminum-magnesium montmorillonite // Microporous and Mesoporous Materials. 2016. V. 224. P. 271–276.
- Reinholdt M., Miehé-Brendlé J., Delmotte L., Le Dred R., Tuilier M-H. Synthesis and characterization of montmorillonite-type phyllosilicates in a fluoride medium // Clay Minerals. 2005. V. 40. № 2. P. 77–190.
- Golubeva O. Yu., Alikina Yu.A., Brazovskaya E. Yu., Vasilenko N. M. Hemolytic Activity and Cytotoxicity of Synthetic Nanoclays with Montmorillonite Structure for Medical Applications. // Nanomaterials. 2023. V. 13. № 9. Р. 1470.
- Abdel-Gawad A. M., Ramadan A. R., Flores A., Esawi A. M. K. Fabrication of Nylon 6-Montmorillonite Clay Nanocomposites with Enhanced Structural and Mechanical Properties by Solution Compounding // Polymers. 2022. V. 14. P. 4471.
- Zhu Y., Iroh J. O., Rajagopolan R., Aykanat A., Vaia R. Optimizing the Synthesis and Thermal Properties of Conducting Polymer — Montmorillonite Clay Nanocomposites // Energies. 2022. V. 15. P. 1291.
- Zango Z. U., Garba A., Garba Z. N., Zango M. U., Usman F., Lim J.-W. Montmorillonite for Adsorption and Catalytic Elimination of Pollutants from Wastewater: A State-of-the-Arts Review // Sustainability. 2022. V. 14. P. 16441.
- Alandis N. M., Mekhamer W., Aldayel O., Jameel A. A. Hefne, Manawwer Alam. Adsorptive Applications of Montmorillonite Clay for the Removal of Ag(I) and Cu(II) from Aqueous Medium // Journal of Chemistry. 2019. V. 2019. P. 1–7
- Везенцев А. И., Кормош Е. В., Здоренко Н. М., Голдовская-Перистая Л. Ф. Адсорбционные свойства продуктов обогащения природных монтмориллонитсодержащих глин // Научные ведомости. Серия: Естественные науки. 2011. № 9 (104). Вып. 15. С. 103–109.
- Golubeva O. Yu., Yakovlev A. V., Shamova O. V., Zharkova M. S. Synthesis and study of the biologically active lysozyme-silver nanoparticles-montmorillonite K10 complexes // Glass physics and Chemistry. 2016. V. 42. № 1. P. 84–91.
- Golubeva O. Yu., Alikina Yu.A., Brazovskaya E. Yu., Ugolkov V. L. Peculiarities of the 5-fluorouracil adsorption on porous aluminosilicates with different morphologies // Applied Clay Science. 2020. V. 184. P. 105401
- Pek-Ing A., Yee-Kwong L. Surface Chemistry and Rheology of Slurries of Kaolinite and Montmorillonite from Different Sources // KONA Powder and Particle Journal. 2016. V. 33. P. 17–32.
Supplementary files
