Магніточутливі адсорбенти на основі активованого вугілля: синтез та властивості
The state of art of development and use of magnetically adsorbents based on composites of synthetic coal SKN, SKS, and technological BAU coal with magnetite is analyzed in this paper. The promising for practical implementation of the method of synthesis of magnetic-sensitive carbon adsorbents of var...
Saved in:
| Date: | 2010 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2010
|
| Online Access: | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/419 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Surface |
| Download file: |  |
Institution
Surface| _version_ | 1869291548006416384 |
|---|---|
| author | Mishchenko, V. N. Kartel, M. T. Lucenko, V. A. Nikolaychuk, A. D. Kusyak, N. V. Korduban, O. M. Gorbyk, P. P. |
| author_facet | Mishchenko, V. N. Kartel, M. T. Lucenko, V. A. Nikolaychuk, A. D. Kusyak, N. V. Korduban, O. M. Gorbyk, P. P. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "V. N. Mishchenko",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
},
{
"author": "M. T. Kartel",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
},
{
"author": "V. A. Lucenko",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
},
{
"author": "A. D. Nikolaychuk",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
},
{
"author": "N. V. Kusyak",
"institution": "Інститут магнетизму Національної академії наук України та Міністерства освіти і науки України"
},
{
"author": "O. M. Korduban",
"institution": "Інститут магнетизму Національної академії наук України та Міністерства освіти і науки України"
},
{
"author": "P. P. Gorbyk",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
}
] |
| author_sort | Mishchenko, V. N. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2018-11-27T09:39:14Z |
| description | The state of art of development and use of magnetically adsorbents based on composites of synthetic coal SKN, SKS, and technological BAU coal with magnetite is analyzed in this paper. The promising for practical implementation of the method of synthesis of magnetic-sensitive carbon adsorbents of various types were invited. The porous structure, adsorption and magnetic properties of these materials were investigated. |
| first_indexed | 2025-07-22T19:32:55Z |
| format | Article |
| fulltext |
Поверхность. 2010. Вып. 2(17). С. 276–285 276
УДК 544.015.2546.722:546.723
МАГНІТОЧУТЛИВІ АДСОРБЕНТИ НА ОСНОВІ
АКТИВОВАНОГО ВУГІЛЛЯ: СИНТЕЗ ТА ВЛАСТИВОСТІ
В.М. Міщенко1, М.Т. Картель1, В.А. Луценко1, А.Д. Ніколайчук1,
Н.В. Кусяк2, О.М. Кордубан2, П.П. Горбик1
1Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України,
вул. Генерала Наумова, 17, Київ, 03164, Україна
e-mail: lutsbass@ukr.net
2Інститут магнетизму Національної академії наук України та
Міністерства освіти і науки України, бульв. Вернадського 36–б, 03142 Київ, Україна
В роботі проаналізовано сучасний стан в галузі створення та використання
магніточутливих адсорбентів на основі композитів синтетичного вугілля СКН і СКС та
технічного вугілля БАУ з магнетитом; запропоновано перспективну для практичного
впровадження методику синтезу магніточутливих вуглецевих адсорбентів різних типів та
досліджено їх пористу структуру, адсорбційні та магнітні властивості.
Вступ
Літературні дані (наприклад [1–8]) свідчать, що надання магнітних властивостей
активованому вугіллю шляхом введення в нього фази магнетиту може значно розширити
його функціональні можливості та вдосконалити технології використання. Це стосу-
ється, насамперед, більш широкого варіювання гідродинамічних умов сорбції та
поліпшення при цьому масообміну, що підвищує ефективність сорбентів при вилученні
речовин з рідких середовищ або концентруванні мікродомішок з розбавлених
розчинів [1].
Вплив магнетиту на сорбційні характеристики вугілля, а також технології
отримання магніточутливого адсорбенту на його властивості вимагає детального
вивчення. Оксидні сполуки заліза можуть виступати як сорбент самостійно. Про це
свідчать результати досліджень роботи [2], в якій вивчено адсорбційні властивості
бурого залізняка як сорбенту важких металів щодо іонів Pb2+, Cu2+, Zn2+, Cr3+/6+ в
широкому діапазоні рН. Вивчена можливість застосування пеків з регенерованим
покриттям із оксиду заліза для вилучення As+5 і As+3 [3]. Близьким до подібних
композитів є новий композиційний магнітний фотокаталізатор - активоване вугілля,
леговане діоксидом титану [4]. Магнітний γ-Fe2O3, який отримували осадженням Fe(2+) і
Fe(3+) в присутності NH4OH в вакуумі, наносили на поверхню активованого вугілля
адсорбцією.
В роботі [5] описано модифікування активованого вугілля залізовмісними
сполуками, вивчено вплив умов синтезу на гранульоване активоване вугілля, просочене
нанооксидом заліза. Визначено, що наночастинки гідроксиду заліза, отримані прямим
осадженням Fe(3+), мають сферичну форму з діаметром 20–100 нм і розподілені в порах
гранульованого активованого вугілля у вигляді кластерів. Для процесів з окисненням
Fe2+ характерні частинки з довжиною 30 нм і шириною 5 нм, які розташовуються у
поверхневому шарі вугілля.
Недосконалість сучасної адсорбційно-фільтраційної технології очистки води від
нафти та нафтопродуктів і пов’язані з цим проблеми [6] можна також подолати,
застосовуючи магніточутливі адсорбенти, що дає можливість завдяки магнітній
сепарації при контактному способі очистки води (одно- і двохступінчаті цикли)
отримувати очищену воду.
mailto:lutsbass@ukr.net
277
В останні роки активно розвивається новий перспективний напрямок в медицині,
пов'язаний зі спрямованим транспортом іммобілізованих на феромагнітних носіях ліків в
органи-мішені під дією зовнішнього магнітного поля [7]. Використання в цій галузі
магніточутливого біосумісного активованого вугілля з розвиненою пористою
структурою (депо для лікарських форм) значно розширює його медико-біологічні
застосування. Нові напрямки в медицині отримала імуномагнітна селекція (ІМС).
Технологія базується на чіткій вибірковості взаємодії іммобілізованих на магнітних
носіях моноклональних антитіл з антигенами та вірусами. Ця система може виконувати
комплекс функцій, характерних для магніточутливих медико-біологічних нанороботів.
Їх спрямований рух та вилучення з біологічного середовища здійснюється за допомогою
неоднорідного магнітного поля [8].
Метою цієї роботи є розробка перспективної для впровадження методики синтезу
композитних магніточутливих адсорбентів на основі активованого вугілля і
нанорозмірного магнетиту та вивчення їх властивостей.
Методика синтезу композитних магніточутливих адсорбентів
Для отримання магнетиту в порах активованого вугілля марок СКН, СКС і БАУ
були використані органовмісні сполуки заліза:
Fe(CH3COO)2·5H2O (ТУ 6-09-08-1287-78 заліза (2+) ацетат 4-х водний);
C15H21O6Fe (ТУ 6-09-4715-79 Заліза (3+) ацетилацетонат);
Fe2(C2О4)3·5H2O (ТУ 6-09-3873-75 заліза (3+) оксалат 5-ти водний);
FeC2O4·2H2O (ГОСТ 1109-75 заліза (2+) оксалат 2-х водний).
Як показали попередні досліди, зразки магнетиту, отримані твердофазним
синтезом, ідентифікуються як кубічна структура шпінелі Fe3O4 (JCPDS № 19-629) без
вмісту фази гематиту α-Fe3O4 (JCPDS № 33-664), яка, як відомо, не характеризується
магнітними властивостями.
На підготовчій стадії для будь-якої із органовмісних сполук спочатку отримували
насичений розчин. Якщо це була сіль органічної кислоти, то отримували насичений
водний розчин; для нерозчинних у воді органовмісних сполук заліза насичені розчини
готували у відповідних органічних розчинниках. Вугілля замочували у розчині і
залишали на декілька годин для його повного проникнення в найдрібніші пори вугілля.
Після цього вугілля відділяли від надлишку розчину і висушували. Якщо розчин був
водним, то сушили спочатку декілька годин при температурі 70–80 °С, а потім при 110–
120 °С. Якщо розчин був на органічному розчиннику, висушування проводили спочатку
при температурі 50–70 °С, а потім – вище точки кипіння розчинника на 10 °С.
Сухий матеріал вносили в ємність і обробляли відповідно до технологічного
циклу: «ємність з сировиною → нагрів в електропечі до температури 200–250 °С без
доступу кисню, видалення фізично зв’язаної і кристалізаційної води → нагрів сировини
по заданій програмі при певній температурі в інтервалі 375–525 °С (процес феритизації)
→ контроль якості магніточутливого композиту». Кількість утвореного магнетиту в
композиті визначалася кількістю обробок вихідного вугілля методом імпрегнування і
повторенням описаного технологічного циклу (рис. 1).
Рис.1. Схема утворення магніточутливого композиту на основі активованого вугілля: I –
змочування Fe-сполукою та висушування, II – термоліз 200–250 °С та 450–500 °С.
СКН + Fe(CH3COO)2 СКН + Fe3O4 СКН
I II
278
Вихід Fe3O4 становив відповідно із Fe(CH3COO)2·5H2O – 39 % мас., із
C15H21O6Fe – 30 % мас., із Fe2(C204)3·5H2O – 36 % мас. та із FeC2O4·2H2O – 43 % мас.
Варіюючи умови формування магніточутливих сорбентів: склад вихідної
системи, хімічний склад компонентів, температурний режим твердофазного синтезу,
отримували адсорбенти з заданими властивостями.
Фізико-хімічні характеристики композитних магніточутливих сорбентів
Утворення магнетиту Fe3O4 у порах вугілля досліджували за рентгенівськими
дифрактограмами зразків отриманих композитів. Дифрактограми зразків реєстрували на
автоматизованому дифрактометрі ДРОН-УМІ з геометрією зйомки по Бреггу–Брентано
в випромінюванні CoКα лінії анода з Fe-фільтром в відбитому пучку. При цьому були
введені такі позначення: І – інтенсивність, с-1; 2θ – значення кута відбитого
випромінювання.
З рис. 2 видно, що магнетит у зразках БАУ (березове активоване вугілля)-Fe3O4,
отриманий твердофазним способом, ідентифікується як кубічна структура шпінелі Fe3O4
(JCPDS № 19-629) без домішок фази гематиту α-Fe3O4 (JCPDS № 33-664).
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
10 20 30 40 50 60 70 80
Рис. 2. Дифрактограма магніточутливого нанокомпозиту БАУ-Fe3O4, синтезованого
високотемпературним твердофазним способом.
Як було вище вказано, твердофазний синтез магніточутливих адсорбентів
грунтується на імпрегнуванні активного вугілля органовмісними сполуками заліза з
наступним термолізом композиту без доступу кисню. Для вуглецевих пористих
матеріалів характерна присутність на поверхні кисневих груп: карбонільних,
карбоксильних, альдегідних, ОН-груп тощо. Це призводить до відповідного зв’язку
заліза з поверхнею активованого вугілля. Значна різниця в міцності зв’язку катіонів
заліза з активним вугіллям, як катіонообмінником, пов’язана з особливостями будови
його поверхні. Наявність на поверхні вугілля різних кислотних угрупувань, що містять
координаційно-ненасичені атоми кисню, легкість переміщення електронів по ланцюгу
спряжених зв’язків створюють умови для його взаємодії з катіонами заліза за
координаційним механізмом з утворенням міцних поверхневих комплексів, в яких
функціональні групи вугілля виступають як ліганди. Для експериментального
підтвердження сказаного та встановлення хімічної природи зв’язків атомів заліза з
поверхнею вугілля C – Fe, отриманого способом твердофазного синтезу, були
виготовлені зразки магніточутливого адсорбенту на основі активованого вугілля марки
БАУ і щавлевокислого заліза (+3) – Fe2(C2O4)3· 5H2O. Зразки магніточутливого
композиту БАУ-Fe3O4 містили 13 % мас. магнетиту.
2 θ
I, с-1
279
Електронна структура поверхні таких зразків досліджувалась методом
рентгенівської фотоелектронної спектроскопії (РФС) на електронному спектрометрі ЕС-
2402 з енергоаналізатором PHOIBOS-100 SPECS (Е МgКa = 1253,6 eВ, Р = 200 Вт, P =
2·10-7 Па). Спектри Fe2p3/2-рівнів було розкладено на компоненти за методом Гауса-
Ньютона. Площа компонент визначалась після вирахування фону за методом Ширлі
[9, 10].
На рис. 3 та в табл. 1 наведені спектри енергетичних рівнів Fe2p3/2 та С1s
електронів атомів заліза і вуглецю та інтенсивності окремих компонент для типового
композитного сорбенту БАУ-Fe3O4.
704 706 708 710 712 714 716 718 720
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180 F e 2 p
3 /2
X P S
In
te
n
s
it
y
(
a
rb
.u
n
it
s
)
E , e V
s a t
b
a
280 282 284 286 288 290 292
0
500
1000
1500
2000
2500
In
te
ns
ity
(i
m
p/
s)
XPS C1s
E,eV
n
mL
k
Рис. 3. Розкладені на компоненти Fe2p3/2 (а) та C1s (б) РФС-спектри зразка БАУ-Fe3O4.
Таблиця 1. Енергії зв’язку максимумів компонент (Еb,eВ) та інтегральні інтенсивності
компонент I Fe2p3/2- та C1s- спектрів
Атомний
рівень
Компонента a
Еb=711,2 eВ,
I (%)
Компонента
b Еb=712,4
eВ, I (%)
Компонента k
Еb=285,0 eВ,
I (%)
Компонента l
Еb=285,6 eВ,
I (%)
Компонента m
Еb=286,1 eВ,
I (%)
Компонента n
Еb=288,1 eВ,
I (%)
Fe2p3/2 18.5 54.4 - - - -
С1s - - 21.4 34.0 31.4 8.9
В Fe2p3/2 – спектрі в області Еb = 711,4 eВ (компонента а) присутній сигнал, який
відповідає фазі Fe3O4 (рис. 4). Основний вклад в Fe2p3/2 - спектр зафіксовано в області Еb
= 712,4 eВ (компонента b). Появу комп. b в області Еb = 712,4 eВ можна пояснити
взаємодією іонів заліза з однією або кількома функціональними групами на поверхні
БАУ. В області енергій зв’язку Еb = 714-716 eВ присутній вклад від сателітної лінії.
Компонента k в C1s-спектрі в області Еb = 285,0 eВ відповідає сигналу від атомів
вуглецю (sp2), компонента L з Еb = 285,6 eВ – зв’язку С–R, компонента m з
Еb = 2·86,1 eВ – зв’язку –С–OH, C–OR, C–O–C, компонента n з Еb = 288,1 eВ – зв’язку
COOH, –O–C=O.
Пориста структура магніточутливих композитів досліджувалась методом
низькотемпературної адсорбції-десорбції азоту (рис. 4, табл. 2).
280
0
100
200
300
400
500
600
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00
Рис. 4. Ізотерми сорбції і десорбції А (см3·г-1) азоту при 77 К на: а – СКH-Fe3O4
(19,8 % мас.), б – СКC-Fe3O4 (25,2 %мас.).
Таблиця 2. Структурно-сорбційні характеристики магніточутливих адсорбентів
Вихідні зразки А,
см3·г-1
V мі,
см3·г-1
V пер,
см3·г-1
S пит.,
м2·г-1
Середн.
радіус пор
r, нм за
методом
БЕТ
СКН-Fe3O4
СКН 0,591 0,393 0,198 1377 1,40
СКН-Fe3O4 (9,9%) 0,593 0,404 0,189 1396 1,35
СКН-Fe3O4 (19,8%) 0,498 0,326 0,172 1184 1,28
СКН-Fe3O4 (25,6%) 0,454 0,306 0,148 1059 1,21
СКС-Fe3O4
СКС 0.698 0,419 0,279 1548 1,84
СКС-Fe3O4 (13,4%) 0,592 0,363 0,229 1307 1,76
СКС-Fe3O4 (25,2%) 0,583 0,340 0,243 1212 1,98
СКС-Fe3O4 (35,1%) 0,476 0,301 0,175 1039 1,82
БАУ-Fe3O4
БАУ 0,715 0,410 0,305 1346 1,41
БАУ-Fe3O4 (13%) 0,512 0,308 0,204 980 1,39
В табл. 2 наведені результати дослідження структурно-сорбційних характеристик
на приладі Nova 2200 Quantachrome Corporation по сорбції азоту при 77 К. Видно, що по
мірі збільшення вмісту магнетиту в порах вугілля спостерігається чітка тенденція
зменшення питомої поверхні для СКН – Fe3O4 з 1377 до 1059 м2/г, для СКС – Fe3O4 з
1548 до 1039 м2/г і для БАУ – Fe3O4 з 1346 до 980 м2/г. Звертає на себе увагу така ж
тенденція для сумарного об’єму пор, а також зменшення об’єму мікропор (Vмі), та
об’єму перехідних пор (Vпер). При цьому величина середнього радіуса пор коливається в
незначних межах.
Адсорбційна активність магніточутливого активованого вугілля досліджувалась
по адсорбції барвника метиленового синього (МС) із водних розчинів при 25 °С. Вибір
МС для оцінки адсорбційних характеристик активованого вугілля з водних розчинів є
загальноприйнятим підходом [11]. Для дослідження ізотерм адсорбції 40 мг сорбенту і
А(см3·г-1)
P/Ps
А(см3·г-1)
P/Ps
a б
281
10 мл основних розчинів МС в дистильованій воді різної концентрації змішувались при
25 °C. Суміші перемішувались протягом 4 год до досягнення рівноваги адсорбції. Потім
сорбенти відділяли методом магнітної сепарації і вимірювали концентрацію залишків
МС за допомогою фотоколориметра КФК - 2МП (на довжині хвилі 670 нм).
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
0,16
0,18
0,2
-0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
0,16
-0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
Рис. 5. Рівноважна адсорбція МС на магніточутливих композитах з різним вмістом в
магнетиту: а – СКН (1), СКН-Fe3O4 9,9 (2), СКН-Fe3O4 19,8 % (3), СКН-Fe3O4
25,6 % (4); б – СКС (1), СКС-Fe3O4 13,4 % (2), СКС-Fe3O4 25,2 % (3), СКС-Fe3O4
35,1 % (4).
Ізотерми адсорбції, наведені на рис. 5, свідчать, що поглинання МС на поверхні
активованого вугілля належить до ізотерми типу Ленгмюра. Це вказує на сильну
специфічну взаємодію МС з функціональними групами та гетероатомами поверхні
вугілля. Дані рис. 5 свідчать про наявність загальної тенденції зменшення адсорбції МС
на магнітокерованому композитних сорбентах СКН-Fe3O4 і СКС-Fe3O4 зі збільшенням
вмісту магнетиту в зразках, що може бути пояснено частковим заповненням сорбційних
пор сполукою заліза. Однак для макропоруватого вугілля БАУ наявність в композиті до
13 % мас. магнетиту майже не впливає на адсорбцію МС.
Константи Г∞, отримані з кривих Ленгмюра при 298 K, становлять 237, 177, 144
та 57 мг/г для СКН, СКН-Fe3O4 (9,9 %), СКН–Fe3O4 (19,8 %), СКН-Fe3O4 (25,6 %); 232,
112, 104 та 94 мг/г для СКС, СКС-Fe3O4 (13,4 %), СКС-Fe3O4 (25,2 %), СКС-Fe3O4
(35,1 %); 370 та 286 мг/г для БАУ, БАУ-Fe3O4 (13 %) відповідно. Можна зробити
висновок, що отримані матеріали демонструють достатньо високі показники по
адсорбції МС. Крім того, на них спостерігалась селективна магнітна сепарація (~100%
магнітне видалення).
Експериментальні дані свідчать також про перспективність синтезованого
магніточутливого активованого вугілля для застосування як ефективного сорбенту
катіонів важких металів. Дослідження сорбційних характеристик модифікованого
активованого вугілля щодо катіонів Cu2+, Pb2+, Ni2+ та Fe2+ проводили у статичному
режимі зі стандартних водних розчинів нітратних солей з концентраціями від 10-6 до 10-3
моль/л (рН = 8,01, 298 К). Кислотність розчинів контролювали скляним електродом
(іономір І-160). Наважку сорбенту (0,1 г) струшували протягом 5 год із 15 мл розчинів,
що містили різну кількість відповідних іонів металу. Концентрацію катіонів у розчинах
визначали атомно-абсорбційним методом на спектрофотометрі С-115 М у полум’яній
суміші ацетилен–повітря. Вимірювання проводили при довжині хвилі 324,7 нм – для
Cu2+, 283,3 нм – для Pb2+, 232,0 нм – для Ni2+ та 248,3 нм – для Fe2+ [12].
Ємність сорбенту (ммоль/г) розраховували за формулою А = (С0 - Сp)·V/m, де С0 і
Сp – початкова і рівноважна концентрація розчину, V – об’єм розчину, m – наважка
сорбенту. На основі одержаних результатів побудовані початкові ділянки ізотерм сорбції
катіонів та обчислені параметри, що характеризують адсорбцію за рівнянням Ленгмюра.
А, мг/м2 А, мг/м2
С, мг/мл
С, мг/мл
1
2
3
4
1
2
3
4
a б
282
На рис. 6 наведено початкові ізотерми сорбції Cu2+ та Pb2+ на синтезованих
магніточутливих композитах.
0
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
-0,1 0,15 0,4 0,65 0,9 1,15
Ср , ммоль/л
А
, м
м
ол
ь/
г 1
2
3
0
0,002
0,004
0,006
0,008
0,01
0,012
-0,05 0,2 0,45 0,7 0,95
Ср , ммоль/л
А
.м
м
ол
ь/
г
1
2
3
Рис. 6. Ізотерми сорбції катіонів Cu2+ (а) та Pb2+ (б) на магніточутливих композитах: 1 –
СКН-Fe3O4 (9,9 %), 2 – СКС-Fe3O4 (13,4 %), 3 – БАУ-Fe3O4 (13 %).
Криві ізотерм адсорбції свідчать про кращі адсорбційні властивості щодо Cu2+ та
Pb2+ у модифікованих композитів на основі СКН та СКС в порівнянні із БАУ. Константи
Аmax, отримані з відповідних графіків Ленгмюра для досліджуваних композитів при
298 К, знаходяться в межах 0,01, 0,012 та 0,026 ммоль/г для Ni2+, Cu2+ і Pb2+ відповідно.
Ємність магніточутливих композитів дещо менша в порівнянні із немодифікованими
матеріалами, але, враховуючи специфічні властивості даних композитів, можна
стверджувати про перспективність таких матеріалів як поглиначів катіонів важких
металів.
Магнітні властивості композитів
Магнітні властивості синтезованих композитів вивчали при кімнатній
температурі на магнітометрі з вібруючим зразком у магнітному полі до 10 кЕ. Були
вимиряні: коерцетивна сила Нс, залишкова намагніченість Mr, намагніченість насичення
Ms. На рис. 7 а зображена петля гістерезису фази магнетиту, яку одержано методом
твердофазного синтезу при температурі 375 оС протягом 2 год.
-8 -4 0 4 8
-80
-40
0
40
80
Н, кЭ
Тсин = 3750С
Hc=436 Э
s, Гс см3/г (Fe3O4)
-8 -4 0 4 8
-6
-3
0
3
6
-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0
-5,0
-2,5
0,0
2,5
5,0
СКН-1
СКН-2
СКН-3
СКН-1
СКН-2
s, Гс см3/г (C-Fe
3
O
4
)
Н, кЭ
СКН-3
а б
Рис. 7. Петля гістерезису магнітного моменту зразка магнетиту (а) та петлі гістерезисну
магнітного моменту зразків композитів CКН-Fe3O4, одержаних твердофазним
синтезом (б).
В табл. 3 наведені температура синтезу, значення коерцитивної сили (Hc) та
питомої намагніченості насичення (σs) синтезованого для порівняння зразка магнетиту.
Приведено також значення середнього розміру частинок, отримане трьома незалежними
методами: DXRD – методом РФА згідно з формулою Шерера, DS – розраховано з
експериментального значення питомої площі поверхні і DПЕМ – визначено згідно з
розподілом частинок за розмірами, було побудовано за результатами статистичної
a б
283
обробки відповідних зображень, отриманих методом просвічуючої електронної
мікроскопії (ПЕМ). Магнітні властивості синтезованих нанокомпозитів на основі
активованого вугілля були якісно підібраними. Як приклад, на рис. 7б представлені петлі
гістерезису композитів CКН-Fe3O4.
Таблиця 3. Параметри зразка магнетиту одержаного методом твердофазного синтезу
Tсин,
0С
Hc ,
Е
σs,
Гс см3/г
Mr/Ms DXRD,
нм
DS
***,
нм
DПЭМ,
нм
ΔD,
нм
Sпит,
м2/г
375 436 67,5 0,381 31,0 43 33(65) 15-85 27
В табл. 4 представлені значення питомої намагніченності насичення композитів
CКН-Fe3O4 та їх складової частини – магнетиту, коерцитивної сили (Hc), залишкової
питомої намагніченності (σr) композитів, питомої залишкової намагніченності (Mr/Ms),
маси зразків та процентного вмісту в них магнетиту. Видно, що частинки магнетиту у
композитах CКН-Fe3O4 характеризуються значно меншим значенням коерцитивної сили
(160–176 Е), ніж частинки високодисперсного Fe3O4 (436 Е), синтезованого для
порівняння. Зменшення питомої намагніченності насичення магнетиту з 67,5 Гс·см3/г
(табл. 3) до ~ 30,6 Гс·см3/г у композиті СКН-2 може свідчити про зменшення середнього
розміру частинок магнетиту у композиті. Зменшення розмірів частинок Fe3O4 у
композиті може бути викликане як стеричними обмеженнями пористої структури
активованого вугілля, так і особливостями протікання хімічної реакції синтезу
магнетиту в присутності поверхні з відновлювальними властивостями. Зменшення
питомої намагніченості насичення магнетиту у композиті з вуглецем спостерігалось
також в інших дослідженнях. Так, автори [13] шляхом проведення реакції FeCl3 з
глюкозою в автоклаві (180 оС, 14 год) одержували модифіковані вуглецем майже
сферичні частинки магнетиту середнього діаметру 100 нм з середнім квадратичним
відхиленням в розподілі за розмірами σ ~ 35 нм. Товщина шару вуглецю складала
близько 10 % від значення діаметру частинки магнетиту. Петля магнітного гістерезису
матеріалу C-Fe3O4 демонструвала типову форму феромагнітної залежності з питомою
намагніченністю насичення (σs) 41,6 Гс см3/г (C-Fe3O4). Враховуючи, що композит
містив 74 % Fe3O4, величина σs на 1 г магнетиту становила 56,2 Гс см3/г (Fe3O4). Таке
значення σs набагато менше, ніж величина σs масивного магнетиту (92 Гс см3/ г), що
може бути пов’язане з розорієнтацією аморфним вуглецем магнітних моментів на
поверхні магнетиту, яка призводить до зменшення значення магнітного моменту на
одиницю маси [14].
Таблиця 4. Параметри композитів CКН-Fe3O4, одержаних твердофазним синтезом
Зразок Hc,
Е
σs,
Гс*см3/г
(C-Fe3O4)
σr,
Гс*см3/г
(C-Fe3O4)
Mr/Ms m,
мг
Fe3O4,
% (мас.)
σs,
Гс*см3/г
(Fe3O4)
СКН-1 261 2,10 0,65 0,31 2,15 9,9 21,21
СКН-2 263 6,05 2,16 0,36 1,35 19,8 30,56
СКН-3 290 4,03 1,38 0,34 1,70 25,6 15,74
Автори роботи [15] синтезували частинки магнетиту середнього розміру 18 і
123 нм, модифікували їх активованим вугіллям і спостерігали петлі гістерезису. Для
частинок середнього розміру 18 нм величина σs становила 28, а для частинок 123 нм –
15 Гс см3/ г.
284
Таким чином, виходячи з експериментальних і літературних даних, можна
стверджувати, що магнітні характеристики системи активоване вугілля–Fe3O4 суттєво
залежать від розміру частинок магнетиту, процентного вмісту їх у композиті, стану їх
поверхні, дефектів тощо.
Висновки
З використанням методу твердофазного синтезу на основі широкого асортименту
марок активованого вугілля розроблено новий технологічний спосіб одержання
магнітокерованих сорбентів. Вперше отримано магнітне вугілля з високою сорбційною
активністю і високими показниками магнітної сепарації (~100% магнітне видалення).
Структурно-сорбційні і магнітні характеристики композиту визначаються кількістю
магнетиту, що утворюється в порах сорбенту. Формування наночастинок магнетиту в
порах вугілля зберігає високу питому поверхню і оптимальні розміри пор. Очікується,
що отримані магніточутливі композити будуть використані як сорбенти в сучасних
технологіях і медицині.
Роботу виконано за підтримки проекту 63/09-Н-3 цільової програми НАН
України „Наноструктурні системи, наноматеріали, нанотехнології”.
Література
1. Сколубович Ю.Л. Сколубович А.Ю. Интенсификация процесса адсорбции
органических соединений из природных вод на активных углях. // Докл. АНВШ.
России. – 2007. – №2. – C. 122–125.
2. Grzegorz R., Tomasz B., Tadeusz R., Beata K., Janusz M. Możliwości wykorzystania rud
darniowych jako sorbentów metali ciężkich. // J. Hazardous Mater. – 2009. – 162, № 1–3. –
P. 1007–1013.
3. Hsu Jia – Chin, Lin Chien at. al. Removal of As(V) and As(III) by relaimed iron-oxide
coated sands // J. Hazardous Mater. – 2008.– V. 153, № 1-2. P. 817 – 826.
4. Ao Yanhui, Xu Jingjing, Fu Degang еt al. A novel magnetically separable composite
photocatalyst titanio – coated carbon. // Separ. And Purif. Technol. – 2008. – 61, №3.–
P. 436–441.
5. Hristovski K.D., Westerhoff O.K., Möller T., Sylvester P. Effect of synthests conditions on
nano-iron (hydr) oxide impreguated granulated actiated carbon. // Chem. Eng. J. – 2009. –
V. 146. – №2 – P. 237–243.
6. Дмитриева З.Т., Былина И.В. Адсорбционно-фильтрационная очистка воды от
нефтепродуктов. // Химия и технология воды. – 1999.– Т. 21, №4.– C. 419 – 426.
7. Горбик П.П., Шпак А.П. Физико–химия наноматериалов и супрамолекулярных
структур. – Сб. науч. трудов. – Киев: Наук. думка. – 2007. – Т.1. – 428 с.
8. Shpak A.P., Gorbyk P.P. Nanomaterials and supramolecular structures. Physics, chemistry
and applications. – London: Springer. – 2009.–P. 428.
9. Briggs D., Seach N.P. Practical surface analysis by Auger and X-ray photoelectron
spectroscopy. – Chichester: Wiley. – 1990. – 674 p.
10. Нефедов В. И. Рентгеноэлектронная спектроскопия химических соединений.–
Москва: Химия, 1984. – 256 c.
11. Karaco S., Gürses A., Açikyildiz M., Ejder M. Adsorbtion of cationic due from aqueous
solution by activated carbon // Microporous and Mesoporous Mater. – 2008. – V. 115,
№3, – P. 378–382.
12. Петрухина О.М. Практикум по физико-химическим методам анализа.– Москва:
Химия, 1987. – 248 c.
285
13. Shouhu X., Lingyun H., Wanquan J., Xinglong G.,Yuan H., Zuyao C. A facile method to
fabricate carbon-encapsulated Fe3O4 core/shell composites // Nanotechnology . – 2007. –
V. 18. – P. 602.
14. Tamura K., Endo H. Ferromagnetic resonance in amorphous nickel film // Phys. Lett. –
1971. – V. 35. – P. 275–276.
15. Kahani S. A., Hamadanian M. Vandadi O. Deposition of Magnetite Nanoparticles in
Activated Carbon and Preparation of Magnetic Activated Carbons // CP929,
Nanotechnology and Its Applications, First Sharjah Intern. Conf. Y. I. Salamin, N. M.
Hamdan, H. Al-Awadhi, N. M. Jisrawi, N. Tabet, 2007, Р. 183–188.
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ АДСОРБЕНТЫ НА ОСНОВЕ
АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ: СИНТЕЗ И СВОЙСТВА
В.Н. Мищенко1, Н.Т. Картель1, В.А. Луценко1, А. Д. Николайчук1,
Н.В. Кусяк2, А.М. Кордубан2, П.П. Горбик1
1Институт химии поверхности им. А.А. Чуйко Национальной академии наук Украины,
ул. Генерала Наумова, 17, Киев, 03164, Украина
2Институт магнетизма Национальной академии наук Украины и
Министерства образования и науки Украины,
бульв. Вернадского 36–б, Киев, 03142, Украины
В работе проанализировано современное состояние в области создания и использования
магниточувствительных адсорбентов на основе композитов синтетического угля СКН, СКС и
технического угля БАУ с магнетитом; предложена перспективная для практического
внедрения методика синтеза магниточувствительных углеродных адсорбентов различных
типов и исследованы их пористая структура, адсорбционные и магнитные свойства.
MAGNETOSENSITIVE ADSORBENTS BASED ON ACTIVATED
CARBON: SYNTHESIS AND PROPERTIES
V.N. Mishchenko1, M.T. Kartel1, V.A. Lutsenko1, A.D. Nikolaychuk1,
N.V. Kusyak2, O.M. Korduban2, P.P. Gorbyk1
1Chuiko Institute of Surface Chemistry, National Academy of Sciences of Ukraine,
17 General Naumov Str. Kyiv, 03164, Ukraine
2Institute of Magnetism of National Academy of Sciences of Ukraine and
Ministry of Education and Science of Ukraine
Vernadsky avenue, 36b, 03142 Kyiv, Ukraine
The state of art of development and use of magnetically adsorbents based on composites of
synthetic coal SKN, SKS, and technological BAU coal with magnetite is analyzed in this paper. The
promising for practical implementation of the method of synthesis of magnetic-sensitive carbon
adsorbents of various types were invited. The porous structure, adsorption and magnetic properties of
these materials were investigated.
|
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-419 |
| institution | Surface |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-03-12T17:11:48Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | surfacezbircomua/d5/bc6d74d09054d9141969fc29191018d5.pdf |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-4192018-11-27T09:39:14Z Magnetosensitive adsorbents based on activated carbon: synthesis and properties Магниточувствительные адсорбенты на основе активированного угля: синтез и свойства Магніточутливі адсорбенти на основі активованого вугілля: синтез та властивості Mishchenko, V. N. Kartel, M. T. Lucenko, V. A. Nikolaychuk, A. D. Kusyak, N. V. Korduban, O. M. Gorbyk, P. P. The state of art of development and use of magnetically adsorbents based on composites of synthetic coal SKN, SKS, and technological BAU coal with magnetite is analyzed in this paper. The promising for practical implementation of the method of synthesis of magnetic-sensitive carbon adsorbents of various types were invited. The porous structure, adsorption and magnetic properties of these materials were investigated. В работе проанализировано современное состояние в области создания и использования магниточувствительных адсорбентов на основе композитов синтетического угля СКН, СКС и технического угля БАУ с магнетитом; предложена перспективная для практического внедрения методика синтеза магниточувствительных углеродных адсорбентов различных типов и исследованы их пористая структура, адсорбционные и магнитные свойства. В роботі проаналізовано сучасний стан в галузі створення та використання магніточутливих адсорбентів на основі композитів синтетичного вугілля СКН і СКС та технічного вугілля БАУ з магнетитом; запропоновано перспективну для практичного впровадження методику синтезу магніточутливих вуглецевих адсорбентів різних типів та досліджено їх пористу структуру, адсорбційні та магнітні властивості. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2010-08-28 Article Article application/pdf https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/419 Surface; No. 2(17) (2010): Surface; 276-285 Поверхность; № 2(17) (2010): Поверхность; 276-285 Поверхня; № 2(17) (2010): Поверхня; 276-285 3154-8091 3154-8083 uk https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/419/417 Авторське право (c) 2010 V.N. Mishchenko, M.T. Kartel, V.A. Lucenko, A.D. Nikolaychuk, N.V. Kusyak, O.M. Korduban, P.P. Gorbyk |
| spellingShingle | Mishchenko, V. N. Kartel, M. T. Lucenko, V. A. Nikolaychuk, A. D. Kusyak, N. V. Korduban, O. M. Gorbyk, P. P. Магніточутливі адсорбенти на основі активованого вугілля: синтез та властивості |
| title | Магніточутливі адсорбенти на основі активованого вугілля: синтез та властивості |
| title_alt | Magnetosensitive adsorbents based on activated carbon: synthesis and properties Магниточувствительные адсорбенты на основе активированного угля: синтез и свойства |
| title_full | Магніточутливі адсорбенти на основі активованого вугілля: синтез та властивості |
| title_fullStr | Магніточутливі адсорбенти на основі активованого вугілля: синтез та властивості |
| title_full_unstemmed | Магніточутливі адсорбенти на основі активованого вугілля: синтез та властивості |
| title_short | Магніточутливі адсорбенти на основі активованого вугілля: синтез та властивості |
| title_sort | магніточутливі адсорбенти на основі активованого вугілля: синтез та властивості |
| url | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/419 |
| work_keys_str_mv | AT mishchenkovn magnetosensitiveadsorbentsbasedonactivatedcarbonsynthesisandproperties AT kartelmt magnetosensitiveadsorbentsbasedonactivatedcarbonsynthesisandproperties AT lucenkova magnetosensitiveadsorbentsbasedonactivatedcarbonsynthesisandproperties AT nikolaychukad magnetosensitiveadsorbentsbasedonactivatedcarbonsynthesisandproperties AT kusyaknv magnetosensitiveadsorbentsbasedonactivatedcarbonsynthesisandproperties AT kordubanom magnetosensitiveadsorbentsbasedonactivatedcarbonsynthesisandproperties AT gorbykpp magnetosensitiveadsorbentsbasedonactivatedcarbonsynthesisandproperties AT mishchenkovn magnitočuvstvitelʹnyeadsorbentynaosnoveaktivirovannogouglâsintezisvojstva AT kartelmt magnitočuvstvitelʹnyeadsorbentynaosnoveaktivirovannogouglâsintezisvojstva AT lucenkova magnitočuvstvitelʹnyeadsorbentynaosnoveaktivirovannogouglâsintezisvojstva AT nikolaychukad magnitočuvstvitelʹnyeadsorbentynaosnoveaktivirovannogouglâsintezisvojstva AT kusyaknv magnitočuvstvitelʹnyeadsorbentynaosnoveaktivirovannogouglâsintezisvojstva AT kordubanom magnitočuvstvitelʹnyeadsorbentynaosnoveaktivirovannogouglâsintezisvojstva AT gorbykpp magnitočuvstvitelʹnyeadsorbentynaosnoveaktivirovannogouglâsintezisvojstva AT mishchenkovn magnítočutlivíadsorbentinaosnovíaktivovanogovugíllâsinteztavlastivostí AT kartelmt magnítočutlivíadsorbentinaosnovíaktivovanogovugíllâsinteztavlastivostí AT lucenkova magnítočutlivíadsorbentinaosnovíaktivovanogovugíllâsinteztavlastivostí AT nikolaychukad magnítočutlivíadsorbentinaosnovíaktivovanogovugíllâsinteztavlastivostí AT kusyaknv magnítočutlivíadsorbentinaosnovíaktivovanogovugíllâsinteztavlastivostí AT kordubanom magnítočutlivíadsorbentinaosnovíaktivovanogovugíllâsinteztavlastivostí AT gorbykpp magnítočutlivíadsorbentinaosnovíaktivovanogovugíllâsinteztavlastivostí |