Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

ОЦЕНКА ВЛАГОПОГЛОЩАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ЖЕЛЕЗООКСИДНЫХ ПИГМЕНТОВ МЕТОДОМ РН-МЕТРИИ

Иконникова К.В. 1 Иконникова Л.Ф. 1 Колтунова Е.А. 1
1 ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
Обсуждена актуальность решения проблемы экспрессной оценки влагопоглощающей способности порошкообразных веществ. Рассмотрены теоретические предпосылки определения влагопоглощения по кислотно-основным свойствам поверхности. Показаны преимущества исследования кислотно-основных свойств поверхности методом рН-метрии. Разработаны практические рекомендации новой обработки и интерпретации экспериментальных данных по рН-метрии для оценки влагопоглощающей способности порошкообразных веществ. Рекомендации основываются на положении о временном изменении скорости массопереноса в реакционной зоне. В качестве аналитического сигнала скорости массопереноса «WрН» впервые рассматривается изменение рН суспензии в единицу времени. Показано, что изменение скорости массопереноса в системе «твердое тело – вода» отражает механизм торможения реакции ионного обмена и может быть использовано для оценки влагопоглощающей способности поверхности твердого тела. Представленный в статье материал будет полезен для внедрения в научно-исследовательские, производственные и учебные лаборатории.
поверхность
гидрофобность
гидрофильность
кислотно-основные свойства
рН-метрия
1. Беленький Е.Ф., Рискин И.В. Химия и технология пигментов. – Л.: Химия, 1974. – 656 с.
2. Бачурин Б.А., Сметанников А.Ф., Хохрякова Е.С. Эколого-геохимическая оценка продуктов переработки глинисто-солевых шламов калийного производства // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 6; URL: www.science-education.ru/120-15442 (дата обращения: 01.03.2015).
3. Иконникова К.В. Влияние структурных параметров оксида алюминия различной модификации на кислотно-основные свойства его поверхности: дис. … канд. хим. наук. – Кемерово, 2007. – 125 с.
4. Иконникова К.В., Иконникова Л.Ф., Саркисов Ю.С. Некоторые закономерности изменения констант кислотно-основного равновесия водных растворов амфолитов // Вестник Томского архитектурно-строительного университета. – 2003. – № 2 (8). – С. 217–225.
5. Иконникова К.В., Иконникова Л.Ф., Саркисов Ю.С., Минакова Т.С. Методические материалы к практическим работам по определению кислотно-основных свойств поверхности. – Томск: Изд-во ТГАСУ, 2003. – 28 с.
6. Иконникова К.В., Саркисов Ю.С., Иконникова Л.Ф. Диагностика фазовых превращений по кислотно-основным параметрам гидроксоаквакомплексов // Материаловедение. – 2005. – № 5. – С. 16–19.
7. Иконникова К.В., Саркисов Ю.С., Иконникова Л.Ф. Алгоритм расчета констант кислотно-основного равновесия водных растворов слабых электролитов // Техника и технология силикатов. – 2005. – Т. 12, № 1–2. – С. 11–16.
8. Иконникова К.В., Иконникова Л.Ф., Минакова Т.С., Саркисов Ю.С. Теория и практика рН-метрического определения кислотно-основных свойств поверхности твердых тел [Электронный ресурс]: учебное пособие // Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ). – Томск: Изд-во ТПУ, 2011. – 85 с. Режим доступа: http://www.lib.tpu.ru/fulltext/m/2011/m22.pdf (дата обращения 03.03.15).
9. Кузнецова Т.В., Кудряшов И.В., Тимашев В.В. Физическая химия вяжущих материалов: Учебник для хим.-технол. спец. вузов. – М.: Высш.шк., 1989. – 384 с.
10. Лукашевич О.Д., Усова Н.Т., Кутугин В.А., Лотов В.А. Использование вторичных продуктов водоподготовки в производстве железооксидного пигмента для строительных материалов // Вода: технология и экология. Проблемы и решения. – 2011. – № 2. – С. 30–38.
11. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. – М.: ООО ТНД «Альянс», 2004. – 464 с.
12. Ikonnikova L.F., Ikonnikova K.V., Koltunova E.A. Energy and resource saving raw materials for dactyloscopy. MATEC Web of Conferences, 2014, vol. 19. The 2nd International Youth Forum «Smart Grids». doi: http://dx.doi.org/10.1051/matecconf/20141901017 (accessed 7 February 2015).

Оксидные соединения железа обладают богатой палитрой окраски, благодаря чему находят широкое применение в строительной отрасли (производство лакокрасочных продуктов с хорошими результатами по маслоемкости и укрывистости поверхностей; приготовление цементно-песчаных окрашенных смесей и др.) [1, 10]. Однако качество произведенных продуктов существенным образом зависит от влагопоглощающей способности пигментов (использование в лакокрасочных продуктах органических растворителей требует пигмент с гидрофобными свойствами; водная среда затворения цементно-песочных композиций диктует использование пигмента с гидрофильными свойствами) [1, 11].

При многотоннажном объеме производства пигментов становится актуальным поиск экспрессных методик оценки их влагопоглощающей способности.

Одним из экспрессных методов является метод рН-метрии, обладающий с практической точки зрения рядом преимуществ: доступность и дешевизна инструментального оформления, экспрессность получения результатов, простота обработки и интерпретации результатов исследования [5]. Исследования методом рН-метрии позволяют выявить взаимосвязь значений рН системы «твердое тело – жидкость» с иными физико-химическими свойствами порошкообразных веществ, что неоднократно подтверждалось на других оксидных системах [3–8, 12].

Для оценки влагопоглощающей способности твердых тел результаты рН-метрии до настоящего времени не применялись. Однако теоретические предпосылки к этому имеются и заключаются в следующем. Известно [8], что взаимодействие в системе «твердое тело – вода» носит кислотно-основной характер и состоит из последовательных стадий развития или продвижения реакционной зоны (ионно-обменная адсорбция, гидратация, гидролиз), которые различаются по скорости массо- и тепло-переноса. Поскольку реакционная зона возникает не на всей поверхности сразу, а лишь на активных центрах поверхности, то кислотно-основное взаимодействие зависит от природы, силы и концентрации активных центров и предопределено изначально биографией твердого тела. Подвод к активным центрам поверхности молекул воды и отвод в среду продуктов реакции Н+ или ОН– –ионов формирует превалирующее направление диффузионных потоков и определяет скорость массо- и тепло-переноса. Исследование изменения скорости массо- и тепло-переноса (набор и спад в каждый конкретный момент времени) позволяет судить о причинах торможения диффузионных потоков и о влагопоглощающей способности твердого тела (гидрофобность или гидрофильность).

В настоящей работе представлены результаты исследований, целью которых является оценка влагопоглощающей способности дисперсных материалов по кинетическим изменениям значений рН водной суспензии.

В качестве аналитического сигнала скорости массопереноса «WрН» в данной работе впервые рассматривается изменение рН суспензии в единицу времени (WрН = ΔpHi/Δτ, мин). Условия эксперимента: прибор «рН-метр 150М», дистиллированная вода кислотностью 6,7...6,9 ед. рН по ГОСТ 6709–72, время эксперимента составляет от 5 минут до 2 часов.

Результаты исследования и их обсуждение

Получение железооксидных пигментов основано на использовании природного сырья или отходов производств [1], поэтому в их состав входят различные примеси. В качестве объектов исследования нами выбраны пигменты нанометрического уровня дисперсности с преобладающими фазами гематита α-Fe2O3 (образец № 1) и магнетита Fe3O4 (образец № 2), полученные из шламов водоподготовки [10, 12].

Экспериментальные результаты показывают, что наибольшие изменения аналитического сигнала наблюдаются в первые 3–5 минут контакта. Различный ход и расположение кинетических кривых рН водной суспензии относительно уровня нейтральности (рис. 1), а также различие в наборе и спаде скорости массопереноса «WрН» (рис. 2) зависят от особенности внутренней структуры образцов.

● Гематит α-Fe2O3. Активными центрами поверхности в гематите α-Fe2O3 являются катионы Fe3+, находящиеся в октаэдрической координации по кислороду. В таком окружении плотность отрицательного заряда повышена. Из-за частичной гидратации реальной поверхности на первичных центрах Льюиса сформирован естественный двумерный гидратно-гидроксильный покров адсорбированных из воздушной среды молекул воды, который представляет собой вторичные основные центры бренстедовского типа (О2¯… Н+/ОН¯). Вследствие этого при контакте с водой протекает подщелачивание суспензии [5, 8].

pic_49.wmf

Рис. 1. Изменение во времени рН водной суспензии образцов: 1 – α-Fe2O3; 2 – Fe3O4

pic_50.wmf

Рис. 2. Изменение скорости массопереноса (WрН) во времени для образцов: 1 – α-Fe2O3; 2 – Fe3O4

Набор скорости ионообменного взаимодействия (рис. 2, кривая 1) протекает более дискретно и длительно, чем спад, что свидетельствует о внешнедиффузионном торможении реакции [8–9]. Торможение обусловлено естественно сформированной экранирующей гидратно-гидроксильной поверхностной пленкой за счет нековалентных (водородных) связей между основными центрами бренстедовского типа. Электростатическое и донорно-акцепторное взаимодействие, а также эффекты среды (сольвофобные взаимодействия) [2] приводят к снижению процесса смачивания, препятствуют диффузии молекул воды через узкие сужения в расположенные за ними полости. Снижение доступной поверхности и степени объемного заполнения адсорбционного пространства пор оксида металла молекулами воды характеризует гидрофобность поверхности.

● Магнетит Fe3O4. Магнетит [1, 11–12] относится к числу координационных кристаллов, которые содержат атомы переходного металла в двух различных состояниях Fe3+[Fe2+Fe3+]O4. Исходя из принципа реализации минимальной электростатической энергии кристалла (которая определяется кулоновской энергией притяжения-отталкивания заряженных частиц и их размерами), расположение катионов Fe2+ наиболее выгодно в тетраэдрических позициях шпинели, а Fe3+ – в октаэдрических узлах. Превалирующими активными центрами поверхности Fe3O4 являются нестехиометрические Fe2+-катионы. Свежеобразованная поверхность с разорванными связями обладает избыточной энергией, поэтому практически мгновенно происходит насыщение связей за счет адсорбции молекул из окружающей среды (Fe2+…ОН¯/Н+), так как энергетически выгоднее покрытие ионами ОН– и молекулами воды, чем хемосорбция ионов О2–. В этом случае плотность положительного заряда поверхности повышена, обеспечивается её кислотная функция за счет образования кислотных центров Бренстеда [8]. Вследствие этого при контакте с водой наблюдается подкисление суспензии (рис. 1, кривая изменения рН суспензии лежит ниже уровня нейтральности).

Набор скорости массопереноса резкий, а спад – медленный и дискретный (рис. 2, кривая 2). Это свидетельствует о перемещении зоны взаимодействия в глубину: протекание ионо-обменной реакции на разных по глубине участках зерна изменяет условия транспорта реагентов и продуктов. При достижении некоторой (критической) концентрации двумерный гидратно-гидроксильный покров претерпевает фазовый переход, на поверхности возникает ансамбль трехмерных островков жидкой фазы, островки жидкой фазы сливаются в сплошной слой, протекает процесс гидратации (смачивания). А затем процесс смачивания продвигается вглубь зерна твердого тела, скорость дискретно изменяется за счет поэтапного повышения-снижения доступной для взаимодействия поверхности. Такая последовательность набора и спада скорости массопереноса согласуется с принятым в литературе [8–9, 11] механизмом объемного заполнения пористого пространства адсорбента раствором адсорбата (механизм внутридиффузионного торможения) и характеризует гидрофильность поверхности твердого тела

Заключение

Таким образом, влагопоглощающая способность твердого тела зависит от механизма торможения кислотно-основного взаимодействия в системе «твердое тело – вода» и предопределена изначально типом функциональных групп естественно сформированного гидратно-гидроксильного покрова. Исследование кислотно-основного взаимодействия в системе «твердое тело – вода» методом рН-метрии позволяет получить сведения о скорости массопереноса, механизм набора и спада которой определяет влагопоглощающую способность твердого тела (гидрофобность или гидрофильность). Использование результатов рН-метрии упрощает и ускоряет процесс оценки гидрофилизации поверхности, что экономически выгодно и ресурсно малозатратно.

Рецензенты:

Козик В.В., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой неорганической химии, ХФ ТГУ, г. Томск;

Саркисов Ю.С., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой химии, ООФ ТГАСУ, г. Томск.

Работа поступила в редакцию 18.03.2015.


Библиографическая ссылка

Иконникова К.В., Иконникова Л.Ф., Колтунова Е.А. ОЦЕНКА ВЛАГОПОГЛОЩАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ЖЕЛЕЗООКСИДНЫХ ПИГМЕНТОВ МЕТОДОМ РН-МЕТРИИ // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 2-10. – С. 2134-2137;
URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=37370 (дата обращения: 28.09.2021).

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