Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

СПЕКТРАЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СИЛИКАТОВ ЗАБАЙКАЛЬСКОГО КРАЯ И КОМПОЗИТОВ НА ИХ ОСНОВЕ, ПОЛУЧЕННЫХ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ

Тютрина С.В. 1 Кузнецова Н.С. 1 Бурнашова Н.Н. 1
1 Забайкальский государственный университет
Используя метод инфракрасной (ИК) спектроскопии были проведены исследования нового органо-неорганического композита. Композит получали из глинистого сырья Забайкальского края и дицитратобората гуанидиния при непосредственном воздействии на систему ультразвуковых колебаний. В работе научно обоснован выбор исходного сырья для получения композиционного материала, рассмотрен вопрос о целесообразности применения ультразвуковых колебаний в режиме стоячей волны как альтернативного метода создания органо-неорганических композитов. Изучены особенности ИК-спектров монтмориллонитов Забайкальского края, дицитратобората гуанидиния и композитов на их основе. Дана сравнительная характеристика композиционных материалов, полученных различными методами. Метод получения композитов с использованием ультразвуковых колебаний эффективен и экономически целесообразен. Ультразвуковые колебания позволяют заполнить межслоевое пространство силикатов дицитратоборатом гуанидиния. Силикаты Забайкалья и дицитратоборат гуанидиния являются перспективным сырьем для создания композиционных материалов с биоцидными свойствами. Новый композит планируется применять при обеззараживании бытовых и сточных вод, бассейнов и почвенных объектов.
ультразвуковые колебания
дицитратоборат гуанидиния
органо-неорганический композит
ИК-спектроскопия
1. Бадмаева С.В. Синтез Al- и Fe/Al-интеркалированных монтмориллонитов и исследование их физико-химических свойств: автореф. дис. ... канд. хим. наук. - Иркутск: 2005. - 22 с.
2. Белик Е.В. Получение высокоэффективных композиционных сорбентов для применения в биотехнологии / Е.В. Белик, Д.А. Грядских, А.В. Брыкалов, Е.М. Головкина // Фундаментальные исследования. - 2008. - №2. - С. 104-105.
3. Брызгалова Л.В. Получение алюмосиликатных сорбентов и катализаторов на основе глинистых минералов и тестирование их свойств: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Томск: 2009. - 23 с.
4. Бурнашова Н.Н. Синтез и применение в промышленности органо-неорганических нанокомпозиционных материалов / Н.Н. Бурнашова, С.В. Тютрина, Н.С. Кузнецова // Кулагинские чтения: материалы ХI Международной научно-практ. конф. Часть IV. - Чита, 2011. - С. 156-158.
5. Особенности строения гуанидинсодержащих мономеров и полимеров по данным ИК-спектроскопии / Ю.А. Малкандуев, Н.А. Сивов, А.Н. Сивов, А.И. Мартыненко и др. (всего 8 чел.) // Известия Высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Естественные науки. - 2006. - № 4. - С. 66-71.
6. Светлов Д.А. Разработка биостойких композиционных материалов с биоцидными добавками, содержащими гуанидин: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Пенза: 2008. - 21 с.
7. Ханхасаева С.Ц. Синтез и физико-химические свойства интеркалированных систем на основе полиоксосоединений металлов и монтмориллонита: автореф. дис. ... д-ра хим. наук. - Улан-Удэ: 2010. - 40 с.
8. Хаширова С.Ю. Гуанидинсодержащие полимеры и нанокомпозиты на их основе: автореф. дис. ... д-ра хим. наук. - Нальчик, 2009. - 48 с.

На современном этапе синтеза и получения композиционных материалов на основе слоистых силикатов особую группу составляют органо-неорганические наноансамбли с оригинальным строением. Научно обоснованный и экономически целесообразный выбор глинистых материалов, способных сорбировать примеси органического и неорганического происхождения, обладающих биоцидной активностью, связан с поиском недефицитных природных силикатов и изучением возможностей их модифицирования, а также новых методик получения полимерных композитов.

Целью работы является разработка новой методики получения органо-неорганических композитных материалов на основе силикатного сырья Забайкальского края, основанной на воздействии на систему ультразвуковых колебаний в режиме стоячей волны. В качестве универсального метода, позволяющего фиксировать изменения структуры как силикатного сырья, так и полученных ацидокомплексных композитных материалов был использован метод инфракрасной спектроскопии.

В работе впервые изучены особенности модификации силикатов Забайкальского края дицитратоборатом гуанидиния. Композиты получали по методике Бадмаевой С.С. [1] и с использованием воздействия ультразвука. Фиксируя колебания элементов структуры и поверхностных групп атомов, а также наблюдая изменение химических связей в процессе образования композитов, можно сделать вывод о более глубоком взаимодействии дицитратобората гуанидиния с базальными поверхностями монтморрилонита, наблюдаемое в поле ультразвуковых колебаний.

Исходным сырьем являлась природная глина месторождения Средний Хонгорок, артель Бальджа Кыринского района Забайкальского края. Силикатный анализ (масс.%): SiО2 - 57,96; Al2О3 - 14,88; Fe2О3 - 7,25; МgО - 2,06; СаО - 1,19; К2О - 3,70; Na2О - 0,62; FeО - 1,44; МnО - 0,07; ТiО2 - 0,89; Р2О5 - 1,19; п.п.п. - 8,28.

Предварительная подготовка глины проводилась по методу, описанному Бадмаевой С.С. [1].

Дицитратоборат гуанидиния (ДЦБГ) был получен по методике, приведенной в работе Бурнашовой Н.Н. [4]. Данное соединение представляет собой устойчивое на воздухе до 220°С твердое вещество, растворимое в воде и нерастворимое в органических растворителях. Используя методы квантово-химического моделирования, результаты элементного, термического, рентгеноструктурного анализов и ИК-спектроскопии, нами была выведена и подтверждена формула дицитратобората гуанидиния - CH6N3[(C6H6O7)2B]. Выбор данного соединения в качестве органической составляющей композита был обусловлен доказанной ранее его биоцидной активностью [2], что расширяет рамки практического применения полученного нами нового композитного материала.

Для получения органоглины использовали два способа: в первом случае в водную суспензию монтмориллонита добавляли органический компонент в соотношении 85:15% соответственно (от массы сухой глины) и перемешивали 4 часа. Осадок отделяли центрифугированием, промывали дистиллированной водой и сушили при комнатной температуре. Альтернативный метод получения композита заключался в замене стадии 4-часового перемешивания на 10 минутное воздействие ультразвуком с частотой 23 кГц. Время физико-химического воздействия на систему было подобрано экспериментально и доказано как методом ИК-спектроскопии, так и измерением электропроводности полученных композитов.

ИК-спектры снимали на ИК-Фурье спектрометре FTIR-8400S «Shimadzu». Образцы готовили в виде таблеток с КBr.

На рис. 1 приведен спектр исходного монтмориллонита, используемого для получения органоглины.

Рис. 1. ИК-спектр монтмориллонита месторождения Средний Хонгорок (Забайкальский край)

Расшифровка приведенного спектра показывает, что основные проявленные на них полосы относятся к валентным связям кремния с кислородом и водорода с кислородом. Выраженная широкая полоса при 1026 см-1 соответствует валентным колебаниям Si-О-Si тетраэдров кремнекислородного каркаса, а полоса 471 см-1 - деформационным колебаниям связей Ме-О. Полоса в интервале 779 см-1 отвечает Si-О-Si колебаниям колец из SiO4 тетраэдров. Полоса поглощения в области 702 см-1 связана с примесью кальцита. Широкая полоса в интервале 3000-3626 и полоса 1620 см-1 относятся к ОН-валентным и деформационным колебаниям свободной и связанной воды [3]. Спектральная характеристика дицитратобората гуанидиния приведена на рис. 2. На ИК-спектре поглощения исследуемого соединения имеется полоса поглощения при 943 см-1, характерная для валентных колебаний связи В-О в боркислородном тетраэдре. Сохраняются и усиливаются полосы поглощения в области 1700-1730 см-1, характерные для свободных карбоксильных групп. Полосу при 3482 см-1 можно отнести к валентным колебаниям связи С = О. В спектре присутствуют полосы при 1065, 1083 см-1, которые относятся к валентным колебаниям связи С-О. Полосы поглощения в области 2500-3000 см-1 (ассоциированная) относятся к валентным колебаниям связи О-Н в карбоксильной группе. В спектре присутствует полоса при 585 см-1, характерная для связи С-С.

Рис. 2. ИК-спектр дицитратобората гуанидиния

Полосы поглощения в области 1360-1460 см-1 отвечает деформационным колебаниям связи С-Н. Полоса поглощения при 1330 и 1648 см-1 относится соответсвенно к валентным колебаниям связи С-N и С = N в структурном фрагменте гуанидина СН6N3+. Появляется полоса при 1584 см-1, которую можно отнести к деформационному колебанию связи N-H, а также полосы поглощения в области 3200-3414 см-1, которые можно отнести к валентным колебаниям связи N-H в СН6N3+ [5].

На рис. 3 и 4 приведены ИК-спектры монтмориллонита, модифицированного дицитратоборатом гуанидиния по стандартной методике и при непосредственном воздействии ультразвуковыми колебаниями соответственно.

Наиболее характерным признаком взаимодействия дицитратобората гуанидина с силикатами можно считать появление в спектрах максимума 1728 см-1 для ДЦБГ, соответствующего ионизованному координационно-связанному карбоксилу. Эти данные подтверждают, что дицитратоборат гуанидина координационно связан с обменными катионами [6]. Образование водородной связи между атомами азота гуанидиновой группы и протонами межпакетной воды подтверждается наличием в ИК-спектре отчетливого максимума 1674 см-1, ОН-колебаниями молекул адсорбированной воды, участвующих в водородных связях - 3410 см-1. Также наблюдается появление полосы 3232 см-1, связанной с валентными колебаниями связи N-Н в СН6N3+-фрагменте гуанидина. Поглощение 2932 см-1 связано с асимметричными и симметричными валентными CH-колебаниями. Полоса 1200 см-1 характеризует фрагмент борокислородного тетраэдра [7].

Рис. 3. ИК-спектр монтмориллонита, модифицированного ДЦБГ (4 ч перемешивания)

Рис. 4. ИК-спектр монтмориллонита, модифицированного ДЦБГ (10 мин УЗ воздействия)

На рис. 4 наблюдается увеличение интенсивности полосы в области 1620 см-1 в композите по сравнению с максимумом в спектре исходного минерала. Это является подтверждением образования водородной связи между атомами азота аминогрупп гуанидина и протоном воды в межслоевом пространстве монтмориллонита с одновалентными катионами в обменном комплексе. Нами доказано, что часть молекул гуанидинсодержащих солей вступает в специфическое взаимодействие с обменными катионами минерала и одновременно образует водородные связи с поверхностными атомами кислорода или соседними атомами адсорбата [8]. Методом ИК-спектроскопии нами было подтверждено, что органо-неорганические композиты, полученные при воздействии на систему ультразвуковыми колебаниями, не отличаются от композитов, синтезированных по стандартной методике. На основании имеющихся результатов исследований можно сделать вывод, что метод получения композиционных материалов с использованием ультразвуковых колебаний эффективен и экономически целесообразен, исходное силикатное сырье Забайкальского края можно использовать для производства композиционных материалов. Синтезированное нами органическое соединение дицитратоборат гуанидиния, обладающее широким спектром биоцидной активности, может быть использовано как составляющая часть композитов нового поколения. Полученный композит на основе силикатного сырья и ацидокомплекса гуанидина имеет перспективно широкий спектр применения за счет своих сорбционных свойств и биоцидной активности: улучшение качественных показателей природных, бытовых, сточных вод, бассейнов, водохранилищ, почвенных объектов.

Рецензенты:

  • Петров В.Л., д.т.н., профессор, проректор Московского государственного горного университета, г. Москва;
  • Хатькова А.Н., д.т.н., профессор кафедры химии ФГБОУ ВПО «Забайкальский государственный университет», Министерство образования и науки РФ, г. Чита.

Работа поступила в редакцию 13.07.2012.


Библиографическая ссылка

Тютрина С.В., Кузнецова Н.С., Бурнашова Н.Н. СПЕКТРАЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СИЛИКАТОВ ЗАБАЙКАЛЬСКОГО КРАЯ И КОМПОЗИТОВ НА ИХ ОСНОВЕ, ПОЛУЧЕННЫХ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 9-2. – С. 460-464;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=30248 (дата обращения: 06.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074