научная статья по теме ВЛИЯНИЕ СОРБЦИИ ПОЛИОКСИЭТИЛИРОВАННЫХ НОНИЛФЕНОЛОВ НА СТРУКТУРУ ПОВЕРХНОСТИ ПОЛИТИТАНАТА КАЛИЯ Химия

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ СОРБЦИИ ПОЛИОКСИЭТИЛИРОВАННЫХ НОНИЛФЕНОЛОВ НА СТРУКТУРУ ПОВЕРХНОСТИ ПОЛИТИТАНАТА КАЛИЯ»

ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2014, том 88, № 12, с. 2006-2011

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ ^^^^^^^^^^ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ

УДК 546.824 + 544.022.51 + 661.185.4 + 543.554.4

ВЛИЯНИЕ СОРБЦИИ ПОЛИОКСИЭТИЛИРОВАННЫХ НОНИЛФЕНОЛОВ НА СТРУКТУРУ ПОВЕРХНОСТИ ПОЛИТИТАНАТА КАЛИЯ

© 2014 г. Н. М. Макарова*, Е. Г. Кулапина*, Е. В. Третьяченко**, А. В. Гороховский**, А. М. Захаревич*

*Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского **Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А. E-mail: melag@rambler.ru, trev07@rambler.ru Поступила в редакцию 15.01.2014 г.

Изучен процесс сорбции неионных поверхностно-активных веществ — полиоксиэтилированных нонилфенолов с различным числом оксиэтильных групп (НФ-12, НФ-100) на поверхности полити-таната калия (ПТК) при различных режимах сорбции, концентрации модификаторов, кислотности суспензии. По кинетическим зависимостям концентрации нонилфенолов от времени рассчитаны количественные характеристики процесса сорбции. Показано, что обработка полититаната калия нонилфенолами приводит к снижению агломерации частиц ПТК и увеличению степени его дисперсности.

Ключевые слова: полититанат калия, поверхностно-активные вещества, потенциометрические сенсоры, адсорбция.

Б01: 10.7868/80044453714120206

Наноматериалы на основе диоксида титана и титанатов обладают уникальными свойствами и возможностью применения в таких областях как фотокатализ, зондирование газов, фотолиз воды, создание фотоэлектрических и электрохимических устройств [1, 2]. Особый интерес представляют слоистые модификации титанатов, при диспергировании и эксфолиации которых можно получить широкий спектр двумерных наноматериалов толщиной в несколько атомных слоев [3]. В качестве диспергирующих агентов чаще всего используют низкомолекулярные органические основания, а также поверхностно-активные вещества различной природы.

Деламинирование слоистых титанатов включает в себя ряд процессов. На первом этапе происходит обмен катионов щелочных металлов на ионы гидроксония в кислотном растворе. Включение частиц Н30+ и Н20 в межслойное пространство приводит к его расширению, согласно данным ХЯЭ [4, 5]. Протонированные титанаты, обычно имеющие слабо кислую среду, далее модифицируют объемными органическими основаниями. Объемные ионы тетраалкиламмония интеркалируются в межслойное пространство, вызывая его набухание до момента, когда происходит отслоение монослоя. Таким образом, формируется суспензия коллоидных ультраламинарных листов.

Эксфолиация слоистых титанатов состава Ko.8 [Ti1.73Li027O4] (KLTO), имеющих структуру типа лепидокросита в водном растворе, и агломерация эксфолиированных нанолистов исследовалась методом малоуглового рассеяния рентгеновских лучей [6]. Отмечено, что минимальное расстояние между листами очень чувствительно к изменению рН и ионной силы раствора и, в ряде случаев, увеличивалось до 12 нм. По мнению авторов, агломераты образуются под действием электростатических сил, связанных с наличием диффузного двойного слоя между положительно заряженными ионами межслойного пространства и отрицательно заряженными нанолистами.

Влияние ионных и неионных ПАВ на агрегатив-ную устойчивость суспензии TiO2 связывают с их адсорбцией на поверхности частиц [7—10]. Показано, что отталкивающее взаимодействие двойных электрических слоев вокруг частиц ТЮ2 является доминирующим фактором, влияющим на стабильность дисперсий. Добавление додецилсульфата натрия и бромида тетрадецилпиридиния повышает устойчивость дисперсии и уменьшает вязкость за счет увеличения абсолютного значения дзета-потенциала частиц. Triton X-100 оказывает незначительное влияние на стабильность и реологические свойства дисперсии ТО2 [7]. Установлено, что наи-

2006

более эффективное воздействие на процесс стабилизации суспензий оказывают анионные ПАВ [9]. Продолжительность перемешивания суспензии имела более существенное влияние на дзета-потенциал и размер частиц, чем концентрация поверхностно-активного вещества [10].

Межслоевое расстояние в кристаллических титанатах калия со слоистой структурой (например, тетратитанат калия) — относительно невелико [11]. Наибольшее промышленное применение нашли полититанаты калия, которые имеют аморфную или сильно искаженную кристаллическую структуру, состоящую из слоев, удаленных на большое расстояние [11, 12].

Авторами [13, 14] показано, что предварительная обработка полититанатов калия, диспергированных в воде, поверхностно-активными веществами приводит к уменьшению среднего размера частиц, улучшению трибологических характеристик его частиц и увеличению объема межслой-ного пространства в этих частицах и, что способствует формированию структуры поверхности полититана калия (ПТК) с более высокой степенью кристалличности. Существенное влияние на спектры оказывало введение в дисперсии поверхностно-активных веществ (полиоксиэтилиро-ванного алкилфенола ОП-10 и лаурилсульфата натрия), что обусловлено конкуренцией процессов агрегации и эксфолиации нанопластин, приводящих к существенным структурным изменениям дисперсий ПТК со временем. Получено приближенное аналитическое выражение для отношения амплитуд высокочастотного и низкочастотного пиков экстинкции для нанопластин ПТК, позволяющее оценить вклад рассеяния и поглощения в экстинкцию данной дисперсной системы в зависимости от среднего объема нано-частиц. Данное отношение, по мнению авторов, может быть использовано в качестве индикатора структурной стабильности дисперсной нано-системы, а также для анализа кинетики процессов агрегации и эксфолиации наночастиц.

В работе проведено количественное изучение процесса сорбции гомологов неионных поверхностно-активных веществ — полиоксиэтилиро-ванных нонилфенолов на поверхности политита-ната калия.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Синтез полититаната калия проводили из порошкообразного оксида титана согласно методике [15]. Порошкообразный ТЮ2 (анатаз, чистота 99%, средний размер частиц 3 мкм, АЫйсИ) помещали в алундовый тигель, содержащий расплав смеси КОН и KNO3 (чистота 99%, АЫйсИ); состав реакционной смеси (мас. %): ТЮ2 (10), КОН (10), KNO3 (80). Тигель с реакционной смесью выдер-

живали при температуре 500°С в течение 2 ч, после чего содержимое помещали в воду. Полученный порошкообразный продукт промывали дистиллированной водой при массовом отношении вода : расплав = 20 : 1 для удаления остатков водорастворимых компонентов сырьевой смеси и продуктов, отфильтровывали (фильтровальная бумага Whatman № 42) и просушивали в сушильном шкафу при температуре 60°С в течение 6 ч.

В качестве модификаторов использовались по-лиоксиэтилированные нонилфенолы (неонолы)

c9Hi9^yo-(C2H4Q)mH,

где m = 12 (НФ-12) и 100 (НФ-100) как представители оксиэтилированных моноалкилфенолов (поли-этоксилатов) на основе тримеров пропилена. Исходные 1 х 10—2 М растворы неонолов готовили по точным навескам препаратов в дистиллированной воде, рабочие растворы 1 х 10—3—1 х 10—5 М — последовательным разбавлением.

Для определения концентрации нонилфено-лов в образцах суспензий политаната калия использовался метод потенциометрического титрования. В качестве индикаторного использовался твердоконтактный сенсор с полимерной пластифицированной мембраной на основе соединения [Ва—НФ-12]2+ • 2ТФБ—; электрод сравнения — хлоридсеребряный; титрант — тетрафенилборат натрия (ТФБ). Приготовление поливинилхло-ридной пластифицированной мембраны и твер-доконтактного сенсора описано в работе [16].

Суспензии полититаната калия с добавками ПАВ готовили по следующей методике: навеску порошка ПТК массой 300.0 мг обрабатывали 300.0 мл раствора полиэтоксилата в диапазоне концентраций от 27.22 до 0.37 мас. %, что соответствует их домицеллярной концентрации 1 х х 10—3—1 х 10-5 М. Смесь помещали в стеклянный стакан объемом 500.0 мл, установленный в светонепроницаемую керамическую емкость. Содержание ПТК в суспензии составляло 1 мг/мл.

Процесс сорбции изучали при механическом перемешивании с помощью магнитной мешалки и в стационарных условиях при температуре 23— 25°С. Повышение кислотности суспензии ПТК в интервале от 10.0 до 3.2 проводили путем добавления 0.1 М НС1. Изменение рН регистрировали с помощью рН-метра марки рН-150 М.

Для определения концентрации гомологов ПАВ проводили отбор проб суспензий через определенные промежутки времени (20—30 мин). Пробы центрифугировали в течение 10 мин (1500 об./мин). Для анализа отбирали аликвоту (1—10 мл) раствора над осадком, помещали в электрохимическую ячейку и титровали ТФБ. По окончании экспери-

2008

МАКАРОВА и др.

c х 10", моль/л

Рис. 1. Кинетические кривые изменения концентрации НФ-12 в суспензии ПТК в условиях перемешивания, с = 10" моль/л: с х 103 (1), с х 104 (2), с х 105 (3).

мента осадок высушивали при температуре 60°С до постоянной массы.

Морфологию поверхности образцов ПТК и полуколичественный элементный микроанализ поверхности исследовали с помощью автоэмиссионного сканирующего электронного микроскопа MIRA 2 LMU (Tescan), оснащенного системой энергодисперсионного микроанализа INCA Energy 350. Разрешающая способность микроскопа достигает 3 нм, чувствительность детектора — 133 эВ/10 мм2. Микрофотографии получены во вторичных электронах (SE) для различных увеличений, ускоряющее напряжение — 30 кВ. Исследования проводились в режиме высокого вакуума энерго-дисперсионным способом.

Величину сорбции (Г) рассчитывали по формуле:

г = (Со - cx)V m

где c0 — исходная концентрация нонилфенола, М; c1 — концентрация нонилфенола в суспензии, М; V — объем суспензии, л; m — масса полититаната калия, г.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Изучена сорбция гомологов неионных поверхностно-активных веществ полититанатом калия при варьировании:

числа оксиэтильных групп в молекулах полиок-сиэтилированных нонилфенолов, концентрации гомологов нонилфенолов, условий сорбции (стационарный режим, перемешивание),

Г, моль/г

Рис. 2. Кинетические кривые изменения величины сорбции НФ-100 при различных исходных концентрациях вусловиях перемешивания: Г х 105, 10 М (1); Г х 106, 10-4 М (2); Г х 106, 10-5 М (3).

кислотности суспензии.

Кинетические кривые изменения концентра

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком