Синтез магнетитовых композитов на основе гуминовых кислот

ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ

Синтез магнетитовых композитов на основе гуминовых кислот Касымова Э. Д.1, Кыдралиева К. А.2

1Касымова Эльвира Джапашевна / Kasymova Elvira Dzhapashevna - кандидат химических наук,

старший научный сотрудник;

2Кыдралиева Камиля Асылбековна / Kydralieva Camille Asylbekovna - доктор химических наук,

ведущий научный сотрудник, биофизическая лаборатория, Институт химии и химической технологии

Национальная академия наук Кыргызской Республики, г. Бишкек, Кыргызская Республика

Аннотация: на основе темплатного синтеза с использованием в качестве темплата магнетит-гуматные композиты, сшитые формалином, получены магнетитовые композиты. Показана возможность регулирования размеров и магнитных свойств наночастиц магнетита за счет варьирования соотношения Fe3O4 и гуминовых кислот в составе композита. Полученные композиты возможно использовать как сорбенты.

Abstract: based template synthesis using as template magnetite humate composites crosslinked with formalin obtained magnetite composites. The possibility of adjusting the size and magnetic properties of magnetite nanoparticles by varying the ratio of Fe3O4 and humic acids in the composite. These composites may be used as sorbents.

Ключевые слова: наночастицы магнетита, гуминовые кислоты, магнетитовые композиты.

Keywords: nanoparticles of magnetite, humic acid, magnetite composites.

Введение

Существует огромное количество разнообразных методов синтеза FexOy систем [16], которые способны направленно изменять состав, структуру и функциональные свойства полученных материалов. Перспективным является комбинирование нескольких методов синтеза, который обеспечивает материалы специфическими свойствами, а также уникальными индивидуальными характеристиками.

В настоящей работе предложен синтез магнетитовых композитов на основе темплатного синтеза с использованием в качестве темплата магнетит-гуматные композиты, сшитые формалином.

Материалы и методы

Магнетит осаждается по стандартной методике добавлением эквимолекулярных растворов 2 и 3 валентных хлоридов железа (1:2) [7-8]. Предварительно исследована сорбционная способность магнетита по отношению гуминовым кислотам (ГК). Кинетика сорбции ГК на поверхности оксидов железа исследовалась введением 10, 20 и 40 мл 1 % растворов гумата аммония соответственно (0,1; 0,2 и 0,4 г ГК) через 20, 60, 120, 300 и 600 секунд. После добавления раствора ГК в систему с магнетитом происходит сорбция ГК на поверхности магнетитовых частиц, о чем свидетельствует осветление раствора над образовавшимся осадком. Согласно данной серии проведенных экспериментов, по кинетике сорбции ГК на поверхности магнетита выбрано оптимальное время для получения/созревания наночастиц магнетита - 20 с. С увеличением времени осаждения магнетитовых частиц сорбционная способность уменьшается.

0.7 п сорб.ГК, г

Рис. 1. Зависимость количества сорбированной ГК граммом магнетита от количества добавленного гумата аммония после 20 с.

Выделяют несколько стадий при образовании наночастиц магнетита:

1) нуклеацию (зародышеобразование) частиц новой фазы с одновременным ростом уже сформировавшихся закритических кластеров;

2) «независимый рост» зародышевых частиц твердой фазы при конденсации три- и тетрамеров на них;

3) стадию коалесценции (на этой стадии объемная доля новой фазы практически постоянна, а процесс сопровождается увеличением в размере больших частиц за счет укрупнения более мелких центров);

4) «колмогоровское наталкивание» и объединение в крупные кластеры.

Вероятно, введение ГК через 600 секунд с момента начала реакции синтеза

магнетита связана с сорбцией на поверхности коалесцированных кластеров.

Далее, через 12 часов проводили осаждение, удерживая композит при помощи магнита, супернатант удаляли методом декантации. Анализ супернатанта по гумату аммония позволил рассчитать количество сорбированной ГК магнетитовыми частицами. На рисунке 1 представлена зависимость количества сорбированной ГК граммом магнетита от количества добавленного гумата амммония после 20 с.

Таблица 1. Список полученных образцов композитов ЕвО'/ГК

№ Наименование образца Описание образца

0 Гез04 контрольный Ге304

1 Ее304/ГК20-0.1 добавка раствора ГК 1 %,10 мл (0,1г ГК) через 20 с

2 Ге304/ГК60-0.1 добавка раствора ГК 1 %,10 мл (0,1 г ГК ) через 60 с

3 Ее304/ГК120-0.1 добавка раствора ГК 1 %,10 мл (0,1 г ГК ) через120 с

4 Ге304/ГК300-0.1 добавка раствора ГК 1 %,10 мл (0,1 г ГК) через 300 с

5 Ге304/ГК600-0.1 добавка раствора ГК 1 %, 10 мл (0,1 г ГК) через 600 с

6 Ее304/ГК20-0.2 добавка раствора ГК 1 %, 20 мл (0,2 г ГК) через 20 с

7 Ее304/ГК60-0.2 добавка раствора ГК 1 %, 20 мл (0,2 г ГК) через 60 с

8 Ее304/ГК120-0.2 добавка раствора ГК 1 %, 20 мл (0,2 г ГК) через 120 с

9 Ее304/ГК300-0.2 добавка раствора ГК 1 %, 20 мл (0,2 г ГК) через 300 с

10 Ее304/ГК600-0.2 добавка раствора ГК 1 %, 20 мл (0,2 г ГК) через 600 с

11 Ее304/ГК20-0.4 добавка раствора ГК 1 %, 40 мл (0,4 г ГК) через 20 с

12 Ее304/ГК60-0.4 добавка раствора ГК 1 %, 40 мл (0,4 г ГК) через 60 с

13 Ее304/ГК120-0.4 добавка раствора ГК 1 %, 40 мл (0,4 г ГК) через 120 с

Результаты и их обсуждение

Строение и свойства полученных магнетитовых композитов изучались методами низкотемпературной сорбции азота, ртутной порометрии и рентгенофазовой дифрактометрии. Как видно из данных по низкотемпературной сорбции азота и ртутной порометрии, при синтезе гумат-магнетитного композита образуются нанопоры размером около 4-7 нм.

Рис. 2. Изотерма сорбции образца Fe3O4/ГК20-0.4, полученная низкотемпературной сорбцией азота

Исходя из форм кривых и наличию петли гистерезиса, все изотермы для образцов относятся к IV типу изотерм по классификации ШРАС [9-13], что говорит о мезопористой структуре исследованных материалов и подтверждается графиком распределения пор по размерам.

Рис. 3. Распределение пор по размерам в образце Fe3O4/rK20-0.4, полученное по результатам низкотемпературной сорбции азота

Differential Surface Area

Pore Width

Рис. 4. Удельная поверхность образца Fe3O4/ГК20-0.4

Установлено, что увеличение количества ГК приводит к уменьшению удельной поверхности образцов, рассчитанной по методу BET, в то время как общий объем пор и распределение по размерам свидетельствует о возрастании объема нанопор.

Литература

1. Wang B., Wei Q., Qu S., Int. J. Electrochem. Sci. 8, 3786 (2013).

2. Qi H. Z., Yan B., Lu W., Li C. K., Yang Y. H. Curr. Nanosci. 7, 381 (2011).

3. Liu Z. L., Wang X., Yao K. L., Du G. H., Lu, Q. H., Ding Z. H., Tao J., Ning Q., Luo X. P., Tian D. Y., Xi D., Mater J. Sci. 39, 2633 (2004).

4. Sun S. H., Zheng H., Am J. Chem. Soc. 124, 8204 (2002).

5. Ghandoor H. E., Zidan H. M., Khalil Mostafa M. H., Ismail M. I. M., Int. J. Electrochem. Sci. 7, 5734 (2012).

6. Kazemzaden H., Ataie A., Rashchi F., Int. J. Mod. Phys. Conf. Ser. 5, 160 (2012).

7. Баранов Д. А. Магнитные наночастицы: достижения и проблемы химического синтеза [Текст] / Д. А. Баранов, С. П. Губин // Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии. - 2009. - Т. 1. - № 1-2. - С. 129-147.

8. Грабовский Ю. П. Разработка физико-химических основ синтеза магнитных жидкостей с заданными свойствам [Текст]: автореф. дис. док. техн. наук: 02.00.04 / Ю. П. Грабовский. - Ставрополь, 1998. - 44 с.

9. Sing K., Everett D., Haul R., Moscou L., Pierotti R., Rouquerol J., Siemieniewska T. Pure Appl. Chem. 54 (1982) 2201.

10. Pierotti R., Rouquerol J. Pure Appl. Chem. 57 (1985) 603-619.

11. Barrett E. P., Joyner L. G., Halenda P. P., Am J. Chem. Soc. 73 (1951), с 373-380.

12. Brunauer S., Emmett P. H., Teller E., Am J. Chem. Soc. 60 (1938), с 309-319.

13. Lippens B. C., de Boer J. H., Catalysis J. 4. 319 (1965).