Ключевые слова: гидроксид магния, гидросиликатные нанотрубки, адсорбция, фиолетовый кристаллический
После открытия углеродных нанотрубок исследователей заинтересовала возможность синтеза аналогичных наноструктур из других химических элементов и соединений в том числе и неорганических.
На данный момент одними из наиболее перспективных материалов для практического применения являются слоистые гидросиликаты трубчатого строения, например аналоги природного хризотила, имеющего химическую формулу Mg 3 Si 2 O 5 (OH) 4 . По причине того, что волокна природного хризотила, при попадании в дыхательные пути, могут вызывать различные заболевания, их использование запрещено в некоторых странах и в настоящее время широко используются нетоксичные синтетические гидросиликатные нанотрубки, представляющие собой альтернативу натуральным волокнам [1]. Данные нанотрубки могут быть включены в различные композиционные материалы, тем самым могут быть улучшены термические, электронные и окислительно-восстановительные свойства композита [2]. Одной из перспективных областей применения гидросиликатных нанотрубок является использование их в качестве сорбентов для очистки водных сред от органических примесей и тяжелых металлов [3].
Довольно распространённым видом органических загрязнений в жидких средах являются различного рода красители, например фиолетовый кристаллический краситель. Кристаллический фиолетовый с химической формулой C 25 H 30 ClN 3 является основным красителем, для него характерна ионизация в среде с повышающейся кислотностью. Фиолетовый кристаллический широко используется в качестве красителя в промышленности, например при покраске тканей или производстве чернил. Он ядовит, является канцерогеном, опасен при попадании в глаза, токсичен для окружающей среды [4]. Поэтому крайне важно подобрать такие сорбенты, которые будут эффективно отчищать воду от фиолетового кристаллического и других органических загрязнений.
Исследование сорбционных свойств полученных нанотрубок проводилось с помощью спектрофотометрии. Это физико-химический метод исследования, основанный на поглощении света веществом (растворами или твердыми телами). Он базируется на основном законе поглощения света (законе Бугера — Ламберта — Бера). В данной работе для измерения оптической плотности исследуемых растворов использовался спектрофотометр ПЭ-5400УФ.
В ходе работы с помощью программы количественного анализа QA5400 были построены градуировочные графики (зависимость концентрации раствора красителя (в данном случае фиолетовый криссталлический) от оптической плотности раствора). Для построения использовались водные растворы фиолетового кристаллического концентрацией 10, 20, 30, 40 и 50 мг/л.
Оптические плотности растворов (А) были измерены при длине волны λ = 590 нм (длина волны максимального поглощения света мономерной формой фиолетового кристаллического) в кюветах с расстоянием между рабочими гранями 10 мм. В качестве раствора сравнения была использована дистиллированная вода. Использовалась параболическая аппроксимация (рисунок 1).
Рис. 1. Градуировочный график зависимости концентрации от оптической плотности растворов фиолетового кристаллического
Уравнение зависимости для фиолетового кристаллического:
|
|
(1) |
где С — концентрация фиолетового кристаллического в растворе, мг/л;
А — оптическая плотность раствора.
На рисунке 2 представлены кинетические кривые адсорбции фиолетового кристаллического гидросиликатными нанотрубками состава Mg 3 Si 2 O 5 (OH) 4 . Адсорбция проводилась в течение 5 минут (измерение каждую секунду) без перемешивания. Масса навесок — 10 мг. Концентрация раствора фиолетового кристаллического — 50 мг/л. Для сравнения были взяты образцы активированного угля (уголь куплен в аптеке и содержит вспомогательное вещество сахарозу).
Рис. 2. Кинетические кривые адсорбции фиолетового кристаллического гидросиликатными нанотрубками состава Mg 3 Si 2 O 5 (OH) 4 и активированным углем: С — относительное уменьшение концентрации красителя, %, τ — время, с
Как видно из графиков, гидросиликат магния за первые пять минут сорбирует более 25 % фиолетового кристаллического из раствора, что говорит о сравнительно низкой сорбционной способности данного материала по отношению к фиолетовому кристаллическому. Тем не менее, в первые пять минут адсорбция на нанотрубках протекает существенно быстрее, чем на активированном угле, который сорбировал менее 5 % красителя. Стоит заметить, что все исследуемые образцы располагаются на дне кюветы слоем некоторой толщины, и с раствором контактирует только внешняя сторона этого слоя. Поэтому было принято решение также провести эксперименты при периодическом механическом перемешивании раствора с помощью магнитной мешалки.
Во втором эксперименте навески гидросиликата и активированного угля массой 20 мг помещали в химический стакан и заливали 20 мл раствора фиолетового кристаллического концентрацией 100 мг/л. В течение 2 минут раствор перемешивали, 3 минуты растворы отстаивались. Затем каждые 5 минут эксперимента (спустя 40 минут от начала эксперимента интервал увеличился до 10 минут, спустя 70 минут — до 15 минут, перемешивание проводилось с изначальными интервалами) бралась проба автоматической пипеткой и измерялась оптическая плотность раствора с помощью спектрофотометра.
По результатам второго эксперимента были построены кинетические кривые сорбции фиолетового кристаллического (рисунок 3).
Рис. 3. Кинетическая кривая адсорбции фиолетового кристаллического гидросиликатными нанотрубками состава Mg 3 Si 2 O 5 (OH) 4 при перемешивании: С — относительное уменьшение концентрации красителя, %, τ — время, мин
По полученному графику можно заметить, что адсорбционная способность нанотрубок гидросиликата магния при перемешивании и более длительных измерениях оказалась весьма высокой. К моменту окончания эксперимента количество сорбированного фиолетового кристаллического для образца нанотрубок превысило 90 %. Из этого можно сделать вывод, что гидросиликаты, несмотря на сравнительно низкие результаты в первом эксперименте, являются довольно хорошим сорбентом для фиолетового кристаллического.
В дальнейшем нанотрубками состава Mg 3 Si 2 O 5 (OH) 4 была проведена адсорбция фиолетового кристаллического из растворов разной концентрации, для того чтобы построить изотерму адсорбции. Для этого навеску образцов массой 10 мг помещали в химический стакан и заливали 10 мл раствора фиолетового кристаллического концентрацией от 20 до 200 мг/л. Растворы единожды перемешали. Проба каждого раствора бралась спустя 72 часа после начала эксперимента и измерялась ее оптическая плотность.
При взгляде на полученную изотерму адсорбции, можно заметить выгнутый начальный участок относительно оси концентраций, что говорит об образовании мономолекулярного слоя. Однако, сложно сказать о характере сорбции фиолетового кристаллического гидросиликатными частицами, так как помимо физической и химической сорбции может происходить заполнение полых каналов нанотрубок и удерживание раствора капиллярными силами (рисунок 4).
Рис. 4. Изотерма адсорбции фиолетового кристаллического нанотубулярным гидросиликатом магния: q e ̶ равновесная адсорбционная способность образцов, мг/г; С е ̶ равновесная концентрации фиолетового кристаллического в растворе, мг/л
Равновесная адсорбционная способность образцов q e , мг/г рассчитывалась с использованием баланса массы по следующей формуле:
|
|
(2) |
где
V — объем образца, л;
m — масса сорбента, г.
В результате расчетов на основе построенной изотермы адсорбции с использованием формулы (2) было получено значение равновесной адсорбционной способности для магниевых гидросиликатных нанотрубок по отношению к фиолетовому кристаллическому красителю равное 105 мг/г.
Выводы.
Спектрофотометрическими методами были изучены сорбционные свойства нанотрубок по отношению к органическому красителю фиолетовому кристаллическому: построены кинетические кривые сорбции для стационарного состояния (адсорбировано более 25 % красителя из раствора в течение 5 минут) и стационарного состояния при периодическом перемешивании (адсорбировано более 55 % красителя из раствора в течении 5 минут и более 90 % в течение двух часов).
С помощью растворов различной концентрации построена изотерма адсорбции для обоих красителей и определена равновесная сорбционная способность нанотрубок (q e =105 мг/г).
Литература:
- Bloise, A. Hydrothermal alteration of Ti-doped forsterite to chrysotile and characterization of the resulting chrysotile fibers / A. Bloise, C. Barrese // Neues Jahrbuch für Mineralogie. — 2009. — V.185 — P. 297–304.
- Jeon, I. Nanocomposites derived from polymers and inorganic nanoparticles / I. Jeon, J. Baek // Materials. — 2010. — V.3, Iss. 6 — P. 3654–3674.
- Skuland, T. Synthetic hydrosilicate nanotubes induce low pro-inflammatory and cytotoxic responses compared to natural chrysotile in lung cell cultures / T. Skuland, T. Maslennikova, E. Gatina, et all. // Basic & Clinical Pharmacology & Toxicology. — 2020. — V.126 — P. 374–388.
- Михайлова, Н. Н. Индикаторы: учеб. пособие / Н. Н. Михайлова, С. А. Красько, А. А. Богомазова, Т. Ф. Дехтярь; под общ. ред. проф. С. С. Злотского // Сер. Молекулы и реакции.– Уфа: УГНТУ, 2017.– Вып. 7.– 62 с.
