На сегодняшний день применение натуральных сорбентов недостаточно эффективно [6], поэтому разработка модифицированных сорбентов с широким спектром применений является актуальной задачей современных исследователей [5, 7, 9]. Одним из решений данной проблемы представляется возможность использования глинистых минералов, способных сорбировать вещества неорганического и органического происхождения, а также условно-патогенные и патогенные бактерии [1, 2, 11]. Ранее научно обоснован [5] выбор монтмориллонит содержащих глин в связи с их невысокой стоимостью и возможностью модифицирования.
Целью настоящей работы является сравнительный анализ структурно-морфологических и гранулометрических характеристик нативной и модифицированной монтмориллонит содержащей глины, а также выявление природы сорбции экстрагированных биологически активных веществ (БАВ) монтмориллонит содержащей глиной. Для решения данной проблемы были поставлены следующие задачи: установить химический состав спиртового экстракта лекарственной ромашки; определить химический (элементный) состав и текстурные характеристики нативной и модифицированной монтмориллонит содержащей глины; сравнить структурно-морфологические характеристики исследуемых образцов.
Материалы и методы исследования
Исследована монтмориллонит содержащая глина месторождения «Поляна» Белгородской области, которая использована для получения экспериментального сорбента с повышенной антибактериальной активностью на основе указанной глины, модифицированной экстрактом лекарственной ромашки – фитоминералосорбента (ФМС). Для получения ФМС необходимы следующие технологические операции:
1. Измельчить монтмориллонит содержащую глину до порошкообразного состояния.
2. Осуществить седиментационное обогащение МСГ в воде.
3. Высушить высококонцентрированную глиняную суспензию при температуре 100–150 °C.
4. Получить экстракт лекарственной ромашки при соотношении сухое лекарственное растение: 70 %-ный этиловый спирт равном 1:10. Процесс экстракции ведут не менее 18 часов при температуре 18–25 °C.
Таблица 1
Химический состав лекарственной ромашки
|
Наименование показателя |
Растительное сырье |
|
Влажность, масс. % |
7,77 |
|
Зола, масс. % |
9,09 |
|
Флавоноиды, мг % |
1,96 |
|
Дубильные вещества, масс. % |
Следы |
|
Витамин С, мг % |
17,30 |
|
Хлорофиллы (пигмент), мг %: |
17,00 |
|
Каротин (пигмент), мг %: |
0,15 |
|
Эфирное масло, масс. % |
0,60 |
5. Получить ФМС, для чего ингредиенты перемешивают в соотношении экстракт лекарственной ромашки к сухой обогащенной монтмориллонитовой глине равном 3:1. Сушку полученного сорбента проводят при температуре не более 60 °C. Полученный фитоминералосорбент измельчают путем механического воздействия до тонкодисперсного состояния. Методика измельчения изложена в [3, 4] .
В табл. 1 и 2 [8] отображен химический состав лекарственной ромашки и продуктов экстракции в 70 %-ом растворе этанола.
Таблица 2
Химический состав 70 %-го спиртового экстракта лекарственной ромашки
|
Наименование показателя |
Спиртовой экстракт |
|
Экстрактивные вещества, масс. % |
36,00 |
|
Хлорофиллы (пигмент), мг % |
1,80 |
|
Каротин (пигмент), мг % |
0,16 |
|
Дубильные вещества, масс. % |
Следы |
|
Флавоноиды, мг % |
0,133 |
|
Эфирное масло, масс. % |
0,21 |
|
Витамин С, мг % |
3,50 |
Химический (элементный) состав и структурно-морфологические характеристики композиционного экспериментального сорбента определяли с использованием энергодисперсионного анализатора EDAX, совмещенного с ионно-электронным растровым (сканирующим) микроскопом «Quanta 200 3D» производства фирмы FEI Company/Philips Electron Optics (США). Гранулометрический состав экспериментальных сорбентов определен с использованием лазерного анализатора дисперсного состава твердых материалов Microtrac S3500 (США)[1].
Результаты исследования и их обсуждение
Полученные данные химического состава МСГ и ФМС (табл. 3) не показывают существенных изменений в содержании химических элементов в анализируемых образцах до и после модифицирования.
Таблица 3
Химический состав экспериментальных сорбентов
|
Сорбент Химический элемент |
МСГ |
ФМС |
||
|
Масс. % |
Атом. % |
Масс. % |
Атом. % |
|
|
O |
39,15 |
56,18 |
39,76 |
56,82 |
|
Na |
0,35 |
0,35 |
0,30 |
0,30 |
|
Mg |
1,47 |
1,39 |
1,45 |
1,36 |
|
Al |
10,97 |
9,33 |
10,72 |
9,08 |
|
Si |
25,84 |
21,12 |
25,65 |
20,88 |
|
K |
2,69 |
1,58 |
2,83 |
1,66 |
|
Ca |
12,39 |
7,10 |
12,12 |
6,91 |
|
Ti |
0,60 |
0,29 |
0,61 |
0,29 |
|
Fe |
6,03 |
2,48 |
5,70 |
2,34 |
|
Cu |
0,52 |
0,19 |
0,69 |
0,25 |
а б
Рис. 1. Гистограммы распределения частиц по размеру (зависимость объемной доли частиц от их размера): а – МСГ; б – ФМС
Результаты определения гранулометрического состава экспериментальных сорбентов, предварительно измельченных до тонкодисперсного состояния, представлены на рис. 1. На гистограмме образца МСГ (рис. 1, а) наблюдается равномерное распределение частиц по размерам в диапазоне значений в пределах от 0,6 до 250 мкм. Наибольшая доля частиц (45–52 %) имеет размер 6,5–13 мкм.
Распределение частиц по размеру ФМС (рис. 1, б) характеризуют два максимума, которые соответствуют размерам частиц 4–9 мкм (доля частиц составляет 45–53 %) и 32–74 мкм (доля частиц составляет 30–35 %). Диапазон значений размеров частиц ФМС находится в пределах от 0,5 до 490 мкм.
Результаты проведенного анализа гранулометрического состава экспериментальных сорбентов сведены в табл. 4.
Таблица 4
Преобладающий размер частиц образцов экспериментальных сорбентов
|
Образец |
Размер частиц, мкм |
|
МСГ |
6,5–13 мкм |
|
ФМС |
4–9 мкм, 32–74 мкм |
Для исследования монтмориллонитовых глин применяли особый способ пробоподготовки для несамоподдерживающихся образцов и суспензий [10]. В качестве подложки использовали углеродную пленку, которая была получена напылением слоя спектрально чистого углерода на поверхность монокристалла галита. Непосредственно перед напылением кристалл галита расщепляли по плоскостям спайности для получения чистой гладкой поверхности. Напыление производили с помощью прибора для напыления пленок углерода в вакууме Quarum Q150RE. Напыление производили импульсно в вакууме (давление не выше 4–10 мБар), делали 2–4 импульса в течение 2–5 с с перерывами по 30 с. Готовую углеродную пленку опускали на поверхность дистиллированной воды, налитой в невысокий плоский цилиндр с большой площадью свободной поверхности. Зажав пинцетом медную сеточку, осторожно вылавливали углеродную пленку так, чтобы она покрыла сеточку. Далее сеточку помещали в бокс для хранения сеточек. На полученную сеточку с углеродной пленкой наносили каплю водной суспензии исследуемого образца.
На рис. 2 представлены электронные микрофотографии анализируемых экспериментальных сорбентов. В приведенных фотографиях отражены структурно-морфологические характеристики экспериментальных сорбентов и зафиксированы их структурные отличия. Анализируя рис. 2, а, установили, что образец МСГ состоит из более равномерно распределенных частиц изометричной объемной формы размером до 10 мкм. В образце ФМС (рис. 2, б) наблюдается большее количество агломератов размером 32–74 мкм (обозначены пунктирными линями), что соответствует второму максимуму на гистограмме распределения частиц исследуемого экспериментального сорбента.
На рис. 3, б зафиксированы большие количества частиц размером ≤5 мкм.
а б
Рис. 2. Тонкодисперсная структура: а – МСГ; б – ФМС
а б
Рис. 3. Тонкодисперсная структура: а – МСГ; б – ФМС
Заключение
Выявлено, что после модифицирования МСГ биологически активными веществами лекарственной ромашки в структуре модифицированного экспериментального сорбента появляются мелкие частицы которые частично заполняют поры исходного сорбента, осаждаются и прикрепляются к поверхности его частиц. Данное явление указывает на процесс модифицирования монтмориллонит содержащих глин путем физической сорбции, что объясняет постоянство в химическом составе неорганической части нативной глины и модифицированного сорбента.
Установлено, что модифицирование МСГ продуктами экстракции лекарственной ромашки приводит к незначительному изменению размеров частиц сорбентов. В первом случае преобладающий размер частиц составляет 6,5–13 мкм и во втором 4–9 мкм. Однако обнаружено, что в образце экспериментального сорбента ФМС образуются агломераты (размером 32–74 мкм), которые отражаются как второй максимум в гистограмме распределения частиц.
Работа выполнена за счет средств гранта РФФИ № 14-43-08021/15 от 08.06.2015 «Исследование процессов фазо- и структурообразования, протекающих при совместном пиролизе растительных отходов агропромышленного комплекса Белгородской области с местными монтмориллонит содержащими глинами и изучение влияния физико-химических параметров процесса синтеза эффективных композиционных сорбентов на поглощение тяжелых металлов, патогенных и условно-патогенных бактерий из водных растворов и очистку плодородных почв от пестицидов», 2015–2016 гг.
Рецензенты:
Свергузова С.В., д.т.н., профессор, зав. кафедрой промышленной экологии, Белгородский государственный технологический университет имени В.Г. Шухова, г. Белгород;
Беседин П.В., д.т.н., профессор, Белгородский государственный технологический университет имени В.Г. Шухова, г. Белгород.