Получение углеродминерального материала на основе монтмориллонита: влияние условий синтеза на удельную поверхность

В настоящее время интенсивно развиваются исследования по разработке углеродминеральных материалов на основе природных и синтетических пористых матриц, таких как γ-Al2O3 [1, 2], донные отложения [3, 4], цеолиты. Особый интерес вызывают получение и применение углеродминеральных материалов на основе глинистых минералов и технологических органических отходов различных производств (вследствие дешевизны сырья) вместо дорогостоящих углеродных адсорбентов, используемых в очистке газовых и жидких сред от различного рода загрязнителей. Такие материалы получают путем карбонизации глинистого минерала, насыщенного в растворе органического вещества. Это позволяет покрыть слоем угля не только внешнюю поверхность глинистого минерала, но и поверхность межслоевого пространства [5]. Введение органических соединений в структуру глинистых минералов сопровождается гидрофобизацией поверхности минерального носителя, вследствие чего они могут проявлять высокие адсорбционные свойства по отношению к органическим веществам, которые не могут сорбироваться на поверхности исходной минеральной матрицы.

В работе получены углеродминеральные материалы на основе глинистого минерала – монтмориллонита (МТ) и модификатора, в качестве которого использовалась сахароза, и изучено влияние способа модифицирования на их текстурные свойства.

Синтез материалов осуществляли методом пропитки: навеску глинистого минерала заливали модельными растворами сахарозы, после чего суспензию глины перемешивали в течение 5-6 ч и оставляли при комнатной температуре до полного удаления воды (I метод). Также нами были получены образцы, которые были обработаны ультразвуком (для лучшего проникновения молекул сахарозы в межслоевое пространство монтмориллонита): на стадии приготовления суспензии исходного глинистого минерала с последующим добавлением модификатора (II метод) и после добавления к суспензии глинистого минерала раствора модификатора (III метод). Далее образцы подвергались термообработке в атмосфере водяного пара при 500 оС для формирования углеродсодержащей пленки на поверхности минеральной матрицы.

Методом низкотемпературной адсорбции/десорбции азота (сорбтометр «Термосорб LP») определена удельная поверхность синтезированных образцов. Результаты анализов показывают, что введение модификатора в структуру монтмориллонита приводит к формированию углеродсодержащих материалов с площадью удельной поверхности 28.0–50.1 м2/г в зависимости от условий синтеза (табл.). Увеличение концентрации модификатора с 5 до 10% приводит к увеличению удельной поверхности от 25 до 40%, что может быть связано с тем, что в процессе карбонизации модификатора происходит образование вторичной пористости вследствие выделения летучих веществ [6]. Поэтому чем больше концентрация модификатора, тем больше формируется пор и тем больше значения удельной поверхности образцов.

Таблица 1

Удельная поверхность синтезированных образцов

Сопоставление значений удельной поверхности со способами получения углеродминеральных материалов показывает, что у образцов, полученных из 5% раствора сахарозы, данные значения изменяются незначительно. Приняв величину посадочной площадки сахарозы равной 0.56 нм2 [5], нами вычислена удельная поверхность по сахарозе – 14.8 м2/г, что составило 17.3% от площади удельной поверхности природного монтмориллонита (85.2 м2/г), что указывает на монослойное покрытие молекул сахарозы при синтезе углеродминеральных материалов. В то время как удельная поверхность образцов, полученных из 10% раствора сахарозы, заметно отличается друг от друга. Среди них большей площадью поверхности обладает образец С/МТ-10-II (50.1 м2/г), полученный предварительной активацией суспензии исходного глинистого минерала ультразвуком с последующим добавлением модификатора, что может быть обусловлено тем, что воздействие ультразвуковых колебаний на суспензию глины приводит к диспергированию частиц глины вплоть до элементарных пакетов и большей адсорбции модификатора на базальных поверхностях частиц монтмориллонита. В то же время удельные поверхности образцов С/МТ-10-I и С/МТ-10-III равны 37.9 и 40.6 м2/г, что в 1.3-1.2 раза меньше, чем у образца C-MТ-10-II соответственно. При синтезе материалов по способу III исходный монтмориллонит находится в виде крупных частиц, и диспергирование монтмориллонита происходит в среде водного раствора сахарозы. Воздействие ультразвука, по-видимому, способствует блокированию пор монтмориллонита молекулами модификатора, что ведет к изменению удельной поверхности.

Таким образом, наибольшей площадью поверхности обладает образец С/МТ-10-II, полученный предварительной активацией суспензии исходного глинистого минерала ультразвуком с последующим добавлением модификатора, концентрация которого составляет 10%.