Ανάπτυξη νέων υλικών μέσω όξινης ενεργοποίησης και υποστύλωσης φυλλόμορφης ορυκτής αργίλου. Εφαρμογές στη μορφοποίηση ηλεκτροδίων, στην κατάλυση και στον αποχρωματισμό ελαίων
Authors: Λέζου Φανίτσα 
Published: August 2021

Το αντικείμενο της διατριβής αυτής ήταν η τροποποίηση του φυλλόμορφου ορυκτού μοντμοριλλονίτη. Αυτή πραγματοποιήθηκε με όξινη ενεργοποίηση, αλλά και με υποστύλωση με Αl2Ο3. Ως μήτρα υποστύλωσης χρησιμοποιήθηκε τόσο το αρχικό υλικό όσο και τα όξινα ενεργοποιημένα υλικά. Στους τροποποιημένους μοντμοριλλονίτες έγινε αφενός ο φυσικοχημικός χαρακτηρισμός τους και αφετέρου μελετήθηκαν: 1) η αναλυτική ικανότητα των μορφοποιημένων ηλεκτροδίων τους (ΜΗΛΟΑ και ΜΗΛΥΑ), 2) η ικανότητά τους στον αποχρωματισμό του βαμβακελαίου και 3) η καταλυτική τους δράση στην αφυδάτωση της ισοπροπανόλης. Με την όξινη ενεργοποίηση με H2SO4 1Ν (ασθενή), 4Ν (μέση) και 8Ν (ισχυρή) (υπό θέρμανση στους 80°C για 2h) του ορυκτού μοντμοριλλονίτη παρατηρήθηκε μια σταδιακή μείωση της κατιονανταλλακτικής ικανότητας, αλλά αύξηση της ειδικής επιφάνειας και οξύτητας του ορυκτού. Η στοιχειακή ανάλυση έδειξε ότι πραγματοποιήθηκε ήπια όξινη ενεργοποίηση, κατά την οποία μόνο το 25-30% των οκταεδρικών κατιόντων απομακρύνθηκαν από το πλέγμα του, ενώ τα φάσματα ακτίνων-Χ και IR έδειξαν ότι επηρεάζεται ταυτόχρονα το οκταεδρικό και τετραεδρικό στρώμα των φυλλιδίων του. Όξινη ενεργοποίηση, υποστύλωση με [Αl13]7+ του μοντμοριλλονίτη και θερμική επεξεργασία στους 500°C, οδηγούν σε υλικά με πολύ μικρό επιφανειακό φορτίο, αλλά αυξημένη ειδική επιφάνεια και οξύτητα που εξαρτάται από το βαθμό της όξινης ενεργοποίησης πριν την υποστύλωση. Η στοιχειακή ανάλυση έδειξε ότι ενσωματώνεται διαφορετική ποσότητα του μέσου υποστύλωσης, ενώ τα φάσματα ακτίνων-Χ κατέγραψαν διαφορετικό ύψος υποστυλωμάτων. Μελετήθηκε η επίδραση της όξινης ενεργοποίησης στην ηλεκτρενεργότητα των μορφοποιημένων ηλεκτροδίων των όξινα ενεργοποιημένων (ΜΗΛΟΑ), και υποστυλωμένων όξινα ενεργοποποιημένων (ΜΗΛΥΑ) μοντμοριλλονιτών έναντι κατιοντικών και ανιοντικών ηλεκτρενεργών ουσιών σε αραιά υδατικά διαλύματα. Αναπτυγμένα επιφανειακά χαρακτηριστικά, μεγάλος αριθμός επιφανειακών όξινων θέσεων και μικρό φορτίο, ευνοούν τη δημιουργία επιπλέον ζευγών ιόντων [Fe(bpy)3] 2+, SO42- και Fe(CN)63-, Κ+ στο όξινα ενεργοποιημένο πλέγμα σε σύγκριση με τον απλό και συμβατικά υποστυλωμένο μοντμοριλλονίτη. Για τα ΜΗΛΟΑ αποδείχτηκε καταλληλότερη η μέση όξινη ενεργοποίηση του μοντμοριλλονίτη. Στην περίπτωση των ΜΗΛΥΑ εκτός από την επίδραση της όξινης ενεργοποίησης πριν την υποστύλωση του μοντμοριλλονίτη, καθοριστικός είναι και ο ρόλος της θερμικής κατεργασίας των ηλεκτροδίων. Θερμική κατεργασία στους 500°C και στους 400°C οδήγησε σε μια αντιστροφή του μεγαλύτερου αναλυτικού σήματος, για ασθενή και μέση όξινη ενεργοποίηση πριν την υποστύλωση του μοντμοριλλονίτη, για κατιοντικές και ανιοντικές ουσίες αντίστοιχα. Η συμπεριφορά αυτή αποδόθηκε στον υδρόφοβο χαρακτήρα της επιφάνειας των υποστυλωμένων αργίλων. Η διαφορετική ικανότητα των τροποποιημένων αργίλων να αποχρωματίζουν το βαμβακέλαιο συσχετίστηκε με τις διαφορετικές φυσικές και χημικές ιδιότητες αυτών. Μεταξύ των όξινα ενεργοποιημένων υλικών, εκείνο που είχε υποστεί μέση όξινη ενεργοποίηση είναι το πιο αποτελεσματικό στον αποχρωματισμό του βαμβακελαίου, προσδίδοντας το ς μικρότερους δείκτες χρώματος και τη μικρότερη τιμή υπεροξειδίων. Τα υποστυλωμένα όξινα ενεργοποιημένα υλικά παρουσιάζουν καλύτερη αποχρωστική ικανότητα, από τον συμβατικά υποστυλωμένο μοντμοριλλονίτη, η οποία εξαρτάται από το βαθμό της όξινης ενεργοποίησης που είχαν υποστεί πριν την υποστύλωσή τους. Ασθενή όξινη ενεργοποίηση του μοντμοριλλονίτη, υποστύλωση με [Αl13]7+ και θερμική επεξεργασία στους 500°C, παρουσιάζει τη μεγαλύτερη αποχρωστική ικανότητα, η οποία είναι εφάμιλλη της αποχρωστικής γαίας του εμπορίου (Tonsil). Τα επιφανειακά χαρακτηριστικά και η οξύτητα Bronsted των υλικών συσχετίστηκαν άμεσα με την αποχρωστική ικανότητά τους. Μελετήθηκε η καταλυτική ικανότητα των τροποποιημένων αργίλων χρησιμοποιώντας ως μοντέλο την αντίδραση οξείδωσης της ισοπροπανόλης σε εύρος θερμοκρασιών από 70 έως 170°C. Η ισοπροπανόλη, για όλα τα υλικά, οδηγήθηκε αποκλειστικά σε αφυδάτωσή της, με μοναδικό προϊόν το προπένιο. Ο ρυθμός αφυδάτωσης της ισοπροπανόλης ανά μονάδα επιφάνειας και ανά χρόνο για τα όξινα ενεργοποιημένα υλικά, ήταν μια τάξη μεγέθους μεγαλύτερος από εκείνον των αντίστοιχων υποστυλωμένων υλικών. Ο μοντμοριλλονίτης που είχε υποστεί μέση όξινη ενεργοποίηση έδωσε είκοσι φορές μεγαλύτερο ρυθμό αφυδάτωσης της ισοπροπανόλης από τον ακατέργαστο μοντμοριλλονίτη. Μέση όξινη ενεργοποίηση του μοντμοριλλονίτη, υποστύλωση με [Αl13]7+ και θερμική επεξεργασία στους 500°C, παρουσιάζει μεγαλύτερη καταλυτική ικανότητα από τον συμβατικά υποστυλωμένο μοντμοριλλονίτη. Ο σχηματισμός αποκλειστικά προπενίου στην καταλυτική οξείδωση της ισοπροπανόλης και οι παρόμοιες ενέργειες ενεργοποίησης, απέδειξαν ότι οι τροποποιημένοι άργιλοι κατέχουν το ίδιο είδος καταλυτικών κέντρων και συγκεκριμένα αποτελούν μια εξαιρετική πηγή παροχής πρωτονίων.