Abstract

A fost caracterizată nanostructura stratului de adsorbție poli (acid acrilic) (PAA) de pe suprafața carbonului activat mezopor HPA obținut prin activarea fizică a reziduurilor după extracția supercritică a hameiului. Această caracterizare a fost realizată pe baza analizei determinării cantității de polimer adsorbit, a densității de încărcare a suprafeței și a potențialului zeta al particulelor solide (fără și în prezența PAA). Tehnicile SEM, termogravimetrice, FTIR și MS au permis examinarea morfologiei suprafeței solide și specificarea diferitelor tipuri de grupuri de suprafață HPA. Au fost studiate efectele pH-ului soluției, precum și greutatea moleculară și concentrația polimerului. Rezultatele obținute au indicat că cea mai mare adsorbție pe suprafața cărbunelui activ a fost prezentată de PAA cu greutate moleculară mai mică (adică 2000 Da) la pH 3. În astfel de condiții, stratul de adsorbție polimeric este compus din bobine de PAA nanosizate (ușor încărcate negativ) sunt dens ambalate pe suprafața pozitivă a HPA. În plus, este posibilă adsorbția macromoleculelor polimerice în pori solizi.

adsorbție

fundal

Structura specifică a stratului de adsorbție polimeric format pe interfața solid-lichid determină proprietățile suprafeței suspensiei coloidale. Acest lucru este foarte important pentru stabilitatea unui sistem foarte dispersat care apare în mod obișnuit în multe domenii ale activității umane (de exemplu, aplicații de mediu, agricole și industriale) [1-8]. Posibilitatea de a obține o structură dorită a stratului polimeric pe suprafața solidă rezultă din faptul că macromoleculele pot presupune un număr mare de conformații diferite. Conformația unică a lanțului polimeric este o consecință a rotației atomilor sau a grupurilor de atomi în jurul unei singure legături. Acesta definește comportamentul polimerului într-o soluție și rezultă din interacțiunile macromoleculelor cu moleculele solventului.

Conformarea lanțurilor polimerice (în special a celor clasificate ca polimeri ionici) poate fi influențată de mulți factori, dintre care cei mai esențiali sunt după cum urmează: pH-ul și puterea ionică a soluției; temperatura; tipul, greutatea moleculară, concentrația și polidispersitatea unui polimer; și tipul, puritatea și proprietățile de suprafață ale unui solid. Schimbând și controlând unul sau mai mulți parametri, se poate obține suspensia solidă caracterizată prin stabilitatea necesară pentru aplicații practice specificate.

Atât non-ionice (adică poli (etilen glicol), polivinilpirolidonă, poli (acid acrilic) - grupările sale funcționale nu suferă disociere în soluții apoase) și ionice (adică poli (acid acrilic), poliacrilamidă, poliaminoacizi, proteine ​​- macromoleculele lor conțin grupări ionizate) polimerii sunt utilizați în cercetarea de bază în sistemul care conține oxizi minerali [9-13]. Acestea au fost următoarele: oxid de siliciu (IV), oxid de zirconiu (IV), oxid de titan (IV), oxid de mangan (IV), oxid de aluminiu (III), oxid de crom (III) și oxid de fier (III). Zeoliții naturali și sintetici sunt, de asemenea, studiați pe larg [14-16]. Astfel de sisteme au o mare varietate de aplicații posibile - în cosmetice, produse farmaceutice, producția de vopsea și medicină ca componente ale implanturilor și purtătorilor de medicamente, precum și tehnologii de tratare a apei și prelucrare a mineralelor [16-21].

Carbonii activi sunt o clasă de adsorbanți care sunt importanți pentru multe aplicații practice. Au o suprafață de obicei foarte dezvoltată a cărei valoare poate ajunge până la 1500 m 2/g. Forma și dimensiunea porilor sunt variate. Ele pot fi sub formă de canale deschise pe ambele părți, în formă de cerneală, în formă de V și sloturi cu pereți paraleli sau ne paraleli. Luând în considerare dimensiunea porilor, aceștia au fost împărțiți în trei tipuri: carboni microporoși (sub 2 nm), mezopori (2-50 nm) și macropori (peste 50 nm). Cea mai utilizată materie primă pentru prepararea cărbunelui activ este cărbunele [22]. Alte materii prime utilizate pentru producția în serie sunt următoarele: coji de nucă de cocos și lemn. În prezent, deșeurile, cum ar fi pietrele de fructe sau cojile de nuci, devin din ce în ce mai importante [23].

Carbonii activi sunt utilizați pe scară largă pentru îndepărtarea gazelor reziduale industriale prin adsorbția SO2, SO3, H2S, CS2, NH3, NOx și a altor compuși toxici. Purificarea apelor uzate din hidrocarburi alifatice și aromatice, fenoli și derivații acestora, pesticide, detergenți, metale grele, bacterii, viruși, coloranți și compuși organici cu greutate moleculară mică este, de asemenea, un domeniu important al aplicării cărbunelui activ [24, 25].

Utilizarea cărbunelui activ în ceea ce privește adsorbția substanțelor polimerice este extrem de rar raportată în literatura științifică. Din acest motiv, scopul acestei lucrări este determinarea proprietăților de adsorbție a cărbunelui activ (HPA) obținut din reziduuri după extracția supercritică a hameiului în procesul de activare fizică în ceea ce privește acidul poli (acrilic) cu greutate moleculară mică.

Datorită faptului că poli (acidul acrilic) prezintă o solubilitate excelentă în apă, este netoxic și este biocompatibil cu țesutul muscular uman, găsește o largă aplicație în industria alimentară, medicină și în multe ramuri ale industriei, cosmeticelor, farmaceuticelor, vopsele, pigmenți și producția de hârtie) [1, 3]. PAA formează hidrogeluri sensibile la pH și sensibile la temperatură cu diverși polimeri (adică poli (alcool vinilic), polivinilpirolidonă, chitosan, celuloză). Ei găsesc în principal utilizarea în sistemele controlate de administrare a medicamentelor [26, 27]. Alte direcții ale aplicațiilor PAA includ purificarea apelor uzate, prelucrarea mineralelor, recuperarea ionilor metalici și îmbunătățirea calității solului în agricultură [5, 7, 8].

Cărbunele activ aplicat este un adsorbant cu cost redus preparat din deșeuri vegetale și, prin urmare, este competitiv cu alți adsorbanți - mult mai scumpi. În plus, studiile privind determinarea nanostructurii stratului de adsorbție polimeric pe suprafața cărbunelui activ pot fi utile în aplicarea sa viitoare în ceea ce privește legarea compusului macromolecular.

Metode

Pregătirea și caracterizarea cărbunelui activ

Materia primă a fost reziduul după extracția supercritică a pulberii de hamei (H) cu dimensiunea de 0,10-0,75 mm, iar conținutul de umiditate în stare uscată la aer este de 5,6%. Materialul inițial a fost supus mai întâi procesului de piroliză (P) la 500 ° C. Acesta a fost realizat într-un reactor tubular de cuarț încălzit de un cuptor orizontal sub un curent de azot cu un debit de 170 ml/min. La temperatura finală, proba a fost păstrată timp de 1 oră și apoi a fost răcită într-o atmosferă inertă. Apoi, carbonul a fost supus activării fizice (A) la o temperatură de 800 ° C sub un curent de dioxid de carbon (debitul de 250 cm 3/min), timp de 1 oră. Adsorbantul a fost denumit HPA.

Pentru a îndepărta materia minerală depusă pe suprafața adsorbantă, cărbunele activ a fost spălat cu apă dublu distilată pentru a obține conductivitatea supernatantului aproximativ 2 μS/cm (conductivitate CDM 83, Radiometru).

Suprafața solidă BET, volumul porilor și diametrul mediu al porilor au fost determinate prin utilizarea metodei de adsorbție/desorbție a azotului (Accelerated Surface Area and Porosimetry ASAP 2405 Analyzer, Micrometritics Inc., SUA).

Imaginile SEM ale cărbunelui activ au fost obținute folosind microscopul electronic cu scanare de înaltă rezoluție Quanta 3D FEG (FEI, Field Electron and Ion Co.).

Analiza termică a eșantionului CSDA a fost făcută pe un analizor termic simultan STA 449 Jupiter F1 (Netzsch, Germania) în următoarele condiții operaționale: debit de încălzire de 10 ° C/min, debit de azot debit 50 cm 3/min, interval de temperatură de 30–950 ° C, greutatea probei

18 mg și senzor termocuplu tip S TG-DSC. Produsele gazoase permise în timpul descompunerii materialelor au fost analizate cu ajutorul spectrometrului FTIR (Brucker, Germania) și cu spectrometrul de masă Quadrupole QMS 403C (Aeölos, Germania) cuplat on-line la instrumentul STA. Datele QMS au fost colectate în intervalul de la 10 la 300 amu. Spectrele FTIR au fost înregistrate în intervalul spectral de 600-4000 cm -1 cu 16 scanări pe spectru la o rezoluție de 4 cm -1 .

Proprietățile suprafeței acid-bazice au fost evaluate conform metodei Boehm [28]. Ca titranți s-au folosit volumetric (0,1 mol/dm 3) HCl standard și NaOH (Avantor Performance Materials Poland SA).

Caracteristicile fizico-chimice ale cărbunelui activ pot fi găsite în Tabelul 1. În plus, imaginea SEM a particulelor de cărbune activ este prezentată în Fig. 1.