Синтез і адсорбційні властивості кобальт-вуглецевого нанокомпозиту на основі лушпиння соняшнику
Impregnation of sunflower seed husks with cobalt chloride with subsequent pyrolysis at 800 °C in an argon atmosphere allows obtaining metal-carbon magnetosensitive nanocomposites with developed microporosity. This method leads to formation of porous carbon and metal cobalt in cubic and...
Gespeichert in:
| Datum: | 2017 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2017
|
| Online Zugang: | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/643 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Surface |
| Завантажити файл: |  |
Institution
Surface| _version_ | 1869291802141392896 |
|---|---|
| author | Bogatyrov, V. M. Galaburda, M. V. Oranska, O. I. Borysenko, M. V. Charmas, B. Skubiszewska-Zięba, J. Komar, M. A. Voitko, I. I. |
| author_facet | Bogatyrov, V. M. Galaburda, M. V. Oranska, O. I. Borysenko, M. V. Charmas, B. Skubiszewska-Zięba, J. Komar, M. A. Voitko, I. I. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "V. M. Bogatyrov",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
},
{
"author": "M. V. Galaburda",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
},
{
"author": "O. I. Oranska",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
},
{
"author": "M. V. Borysenko",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
},
{
"author": "B. Charmas",
"institution": "Університет Марії Кюрі-Склодовської"
},
{
"author": "J. Skubiszewska-Zięba",
"institution": "Університет Марії Кюрі-Склодовської"
},
{
"author": "M. A. Komar",
"institution": "Національний авіаційний університет"
},
{
"author": "I. I. Voitko",
"institution": "Національний авіаційний університет"
}
] |
| author_sort | Bogatyrov, V. M. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2018-12-01T11:48:46Z |
| description | Impregnation of sunflower seed husks with cobalt chloride with subsequent pyrolysis at 800 °C in an argon atmosphere allows obtaining metal-carbon magnetosensitive nanocomposites with developed microporosity. This method leads to formation of porous carbon and metal cobalt in cubic and hexagonal structural modifications, while a portion of cobalt forms a soluble compound in water. The size of cobalt crystallites of cubic modification was 20-21 nm, and hexagonal - 12-13 nm. The specific surface of the samples, depending on the synthesis conditions, ranged from 74 to 583 m2/g. |
| doi_str_mv | 10.15407/Surface.2017.09.145 |
| first_indexed | 2025-09-24T17:25:26Z |
| format | Article |
| fulltext |
145
УДК 546.265+620.3
СИНТЕЗ И АДСОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА КОБАЛЬТ-
УГЛЕРОДНОГО НАНОКОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ ЛУЗГИ
ПОДСОЛНЕЧНИКА
В.М. Богатырев1, М.В. Галабурда1, Е.И. Оранская1, Н.В. Борисенко1, Б. Хармас2,
Я. Скубишевская-Зиеба2, М.А. Комар3, И.И. Войтко3
1Институт химии поверхности им. А.А. Чуйко Национальной академии наук Украины
ул. Генерала Наумова 17, Киев, 03164, Украина, e-mail: vbogat@ukr.net
2Университет Марии Кюри-Склодовской, химический факультет
пл. Марии Кюри-Склодовской 3, Люблин 20-031, Польша
3Национальный авиационный университет, просп. Комарова 1, Киев 03058, Украина
Импрегнирование лузги семян подсолнечника хлоридом кобальта с последующим пиро-
лизом при 800 °С в атмосфере аргона позволяет получить кобальт-углеродный магниточувст-
вительный нанокомпозит с развитой микропористостью. В использованных условиях синтеза
формируется пористый углерод с кобальтом в кубической и гексагональной структурной
модификациях, при этом часть кобальта образовывает растворимые в воде соединения.
Размер кристаллитов кобальта кубической модификации составил 20 – 21 нм, а гексагональ-
ной − 12 – 13 нм. Удельная поверхность образцов, в зависимости от условий синтеза, соста-
вила от 74 до 583 м2/г.
Введение
Биоресурсы являются важнейшим источником возобновляемого сырья для энер-
гетики и промышленности [1, 2]. Одной из основных сельскохозяйственных культур в
Украине является подсолнечник. В 2016 г было собрано 13626,9 тыс. тонн семян
подсолнечника [3]. Семена являются сырьем для производства пищевого и техничес-
кого масла.
Технология переработки семян состоит из отделения оболочки от ядра и
выделения масла из ядра отжимом или экстракцией [4]. Отходами являются лузга и
шрот. Сотни тысяч тонн образовавшейся лузги используются непосредственно как
взвешенное топливо и перерабатываются в топливные паллеты.
Содержание оболочки в семенах (лузжистость) составляет в среднем 23 – 26 % и
зависит от сорта подсолнечника. Лузга представляет собой одеревеневшую раститель-
ную ткань и на 79 – 90 % состоит из целлюлозы (клетчатки), лигнина и гемицеллюлозы
(преимущественно глюкуроноксилана). Остальной состав представлен липидами,
восками, минералами и протеином [5]. В основном составе лузги находится 31,9 %
целлюлозы, 29,3 % лигнина и 27,2 % пентозана [6]. Авторы работы [7] приводят
физико-технические характеристики и элементный состав лузги подсолнечника, где
указано, что её влажность составляет 8,4 %, а зольность – 2,7 %. Элементный состав
лузги, пересчитанный на влажную беззольную массу, составляет (в %): углерод – 50,1;
сера – 0,14; водород – 6,3; азот – 1,7; кислород – 41,4.
Лузга подсолнечника в ряде случаев является ценным сырьем для химической и
микробиологической промышленности [8]. Интересными с экологической точки зрения
представляются исследования применения лузги и продуктов ее карбонизации для
очистки сточных вод от красителей и ионов тяжелых металлов [9 – 14]. В этих работах
использовали химическую активацию углерода в H2SO4 [10], пиролитическую
активацию при 450 °С в среде с ограниченным содержанием О2 [12] и комбиниро-
ванную активацию, которая состояла из пропитки лузги водным раствором КОН,
пиролиза в среде азота при 500 °С и последующей обработки диоксидом углерода при
146
500 °С [13]. Для получения активированных углей из растительных отходов, в том
числе и из лузги семян подсолнечника, используют обработку сырья раствором
хлорида цинка с последующим пиролизом. После пиролиза продукт промывают водой
до нейтральной реакции [14].
Цель нашей работы состояла в получении магниточувствительного углеродного
адсорбента с использованием в качестве углеродного сырья лузги подсолнечника.
Данная работа является продолжением общего направления исследований по синтезу
металл-углеродных нанокомпозитов совместным пиролизом органического сырья и
солей металлов [15–20].
Материалы и методы
Для синтеза металл-углеродных композитов использовали хлорид кобальта
CoCl2·6H2O «чда» (ГОСТ 4525-77), изопропиловый спирт С3Н8О «хч» (МЕРК), водный
раствор аммиака 25 %-ный (ГОСТ 3760-79). Лузгу получали из семян подсолнечника,
приобретенных на местном торговом рынке (первая серия образцов) и из бункера в
котельной, где лузга использовалась в качестве топлива (вторая серия образцов). Лузгу
механически измельчали и фракционировали. В работе использовали фракцию 0,5–2
мм.
Синтезировали две серии образцов. Общая схема синтеза состояла в
импрегнировании лузги семян подсолнечника растворами хлорида кобальта, сушки и
пиролиза импрегнированной лузги в атмосфере аргона. В первой серии использовали
различные растворители для хлорида кобальта – дистиллированную воду, водный
раствор аммиака и изопропиловый спирт. Соотношение компонентов приведено в
табл.1. При синтезе образцов первой серии лузгу пропитывали растворами хлорида
кобальта, высушивали при 120 °С и пиролизовали в инертной атмосфере при 800 °С.
Синтез второй серии образцов проводили с предварительной термообработкой
лузги на воздухе по следующей схеме. В стеклянную емкость с крышкой с 20,1 г лузги
добавляли 20,3 г хлорида кобальта и вливали 100 мл дистиллированной воды. Смесь
выдерживали 7 дней при комнатной температуре, затем сушили при 150 °С и сухой
материал прогревали на воздухе при 250 °С 3 ч (образец 4Со/С). Затем его разделяли на
две части и к одной части (20 г) прибавляли 30 г водного 25 %-ного раствора аммиака,
сушили при 120 °С и прокаливали при 250 °С в течение 2 ч (образец 5Со/С). Обе серии
образцов и контрольный образец (С) без обработки лузги солью кобальта карбони-
зовали в вертикальном реакторе из нержавеющей стали в потоке аргона при 800 °С.
Конструкция реактора описана в [18]. Влияние обработки второй серии образцов
хлоридом кобальта на выход материала после пиролиза приведен в табл. 2.
Текстурные характеристики композитов оценивались по низкотемпературным
(77,4 К) изотермам адсорбции-десорбции азота, записанным на адсорбционном
анализаторе Micromeritics ASAP 2420 V2.09. Удельная поверхность (SБЭT) первой серии
образцов рассчитывалась в соответствии со стандартным методом БЭТ [21]. Общий
объем пор Vр оценивался по адсорбции азота при p/p0 = 0,98 – 0,99 [22]. Данные по
десорбции азота использовались для расчета распределения пор по размерам (РПР,
дифференциал dVp/dR и dS/dRp, где R – радиус пор, S – поверхность) методом,
модифицированным для комплексной модели пор с щелевидными и цилиндрическими
порами в атомах углерода и пустотами между углеродными наночастицами [23]. Диф-
ференциальные РПР по отношению к объему пор f(R) (∫f(R)dR ~ Vp) пересчитывались в
инкрементальное РПР (IРПР, ΣΦ(Ri) ~ Vp). Функции дифферен-циального РПР также
использовались для расчета вкладов микропор (Vmicro и Smicro при R <1 нм), мезопор
(Vmeso и Smeso при 1 нм < R <25 нм) и макропор (Vmacro и Smacro при R > 25 нм ) в общий
объем пор и удельную площадь поверхности. Удельную поверхность образцов второй
147
серии определяли стандартным хроматографическим методом по низкотемпературной
десорбции аргона (ГОСТ 28794-90) в сравнении со стандартным образцом силохрома
С-80.
Термоокислительную деструкцию образцов первой серии после пиролиза опре-
деляли на приборе «Derivatograph C» (навески образцов 201 мг). Для второй серии
использовали дериватограф “Q-1500 D”, оснащенный компьютерной системой регист-
рации измерений (навеска образцов 200±5 мг). В обоих случаях измерений углеродные
композиты нагревали в керамических тиглях со скоростью 10 град/мин в статической
атмосфере воздуха.
Рентгенофазовый анализ композитов проводили с использованием дифракто-
метра ДРОН-УМ1 в монохроматизованном CoK излучении (графитовый монохрома-
тор в отраженном пучке), геометрией съемки по Брэггу – Брентано. Средний размер
кристаллитов определяли по уравнению Шеррера [24].
Адсорбцию метиленового синего (МС) порошками углеродных композитов
определяли для всей серии образцов одновременно. Навеску образца массой 15±5 мг
помещали в пробирку и мерной пипеткой приливали 10±0,05 мл водного раствора МС
«чда» с концентрацией 0,12–1,08 мг/см3. Пробирки встряхивали в течение 7 ч на аппа-
рате Orbital Shaker OS20 при комнатной температуре 18–19 °С и затем выдерживали
еще 12 ч до установления адсорбционного равновесия. Оптическую плотность опреде-
ляли при 490 нм на фотоколориметре КФК-2-УХЛ в кювете толщиной 1,08 мм.
Равновесную концентрацию МС вычисляли по калибровочному графику зависимости
оптической плотности раствора от концентрации МС в растворе. Адсорбцию МС
рассчитывали по формуле
,
-
равн0 V
m
CC
A
где А – адсорбция МС, мг/г; С0 – начальная концентрация МС, мг/мл; Сравн –равно-
весная концентрация МС, мг/мл; m – навеска порошка углеродного композита, г; V –
объем раствора МС, прилитый к навеске композита, мл.
Результаты и обсуждение
В первой серии образцов определялось влияние растворителя на текстурные и
адсорбционные характеристики полученных кобальт-углеродных композитов. При
равном соотношении компонентов лузга/хлорид кобальта в исходном материале выход
карбонизованного продукта после пиролиза в ряду использованных растворителей
отличается не более чем на 1,9 % (табл. 1). При этом отличие в выходе карбонизата при
использовании воды и водного аммиака составило всего 0,8 %.
Таблица 1. Условия синтеза первой серии образцов Со/С.
Образец
Масса
лузги, г
Масса
CoCl2·6H2O, г
Растворитель
Кол-во
растворителя,
г
Остаток
после
пиролиза, %
1Со/С 3,0 1,61 Н2О 13,6 40,3
2Со/С 3,0 1,61 Н2О+NH4OH 13,22+1,06 41,1
3Со/С 3,0 1,60 С3Н8О 10,01 42,2
Предварительная термообработка смеси исходных компонентов при 250 °С в
атмосфере воздуха перед пиролизом существенно повлияла на выход карбонизата
(табл. 2). Разница в выходе конечного продукта составила уже 8,6 %. Увеличение
содержания хлорида кобальта в смеси исходных компонентов с 34,9 % для первой
148
серии образцов до 50,2 % во второй серии повысило выход остатка после пиролиза.
Выход карбонизованного продукта из лузги в контрольном образце без импрегни-
рования хлоридом кобальта составил 25,8 %.
Таблица 2. Влияние условий синтеза второй серии образцов Со/С на выход
карбонизата.
Образец Масса лузги, г Масса
CoCl2·6H2O, %
Растворитель Остаток после
пиролиза, %
4Со/С Н2О 56,6
5Со/С
20,1 20,3
Н2О; NH4OH 48,0
С (контроль) 20,0 ‒ ‒ 25,8
Рентгенофазовый анализ карбонизатов обеих серий образцов показал
присутствие в них кобальта кубической (JCPDS № 15-806) и гексагональной (JCPDS №
5-727) модификаций с близким для всех образцов весовым соотношением: 70/30,
определенным на основе полуколичественного фазового анализа. Дифрактограмма
одного из них приведена на рис. 1,а. Во всех образцах обеих серий размер
кристаллитов кобальта кубической модификации составил 20 – 21 нм, а гексагональной
– 12 – 13 нм. Это позволяет отнести синтезированные порошки к кобальт-углеродным
нанокомпозитам.
При контакте с окружающей атмосферой на дифрактограммах карбонизатов появ-
ляются дополнительные рефлексы. На рис. 1 б представлена дифрактограмма одного из
образцов, выдержанного в кювете дифрактометра в течение двух недель в условиях
атмосферы лабораторного помещения.
10 20 30 40 50 60 70 80
0
2000
4000
6000
8000
+
*
*+
I,
о
тн
.
ед
.
2
1
2
+
10 20 30 40 50 60 70 80
2000
4000
6000
8000
10000
#
#
^^
+
*
*
I,
от
н
. е
д
.
2
1
2
3
+
*
^
#
а б
Рис. 1. Дифрактограммы металл-углеродных нанокомпозитов: а – 3Со/С (1) и
контроль С (2); б – 5Со/С (1), 5Со/С после 2 недель на воздухе (2) и 5Со/С-w
(3). Отнесение рефлексов: Сокуб (*), Согекс (+), Co2(OH)3Cl (^) и Co(OH)2 (#).
Новые рефлексы были отнесены к фазе Co2(OH)3Cl (JCPDS № 73-2134). Наблюда-
ется также изменение соотношения интенсивности пиков кубической и гексагональной
модификаций элементного кобальта в сторону уменьшения интенсивности пиков
кубической модификации. По-видимому, гидроксихлорид кобальта образуется при
контакте влаги воздуха с остатками соединений, содержащих группы Co-Cl в кобальт-
углеродном материале. Для удаления этих соединений после пиролиза проводили
отмывку образцов второй серии от растворимых продуктов реакции по следующей
149
схеме. Порошок углеродного композита в количестве 2,2 г заливали 28‒30 мл
дистиллированной воды. Через сутки раствор, который приобрел слабый розовый
оттенок, декантировали. После такой трехкратной процедуры черный осадок сушили 2
ч при 160 °С на воздухе. Промытые образцы 4Со/С и 5Со/С обозначили как 4Со/С-w и
5Со/С-w, соответственно.
Вид дифрактограмм обоих образцов второй серии после промывки, в общем,
имеет одинаковый характер. На рис. 1 б представлены дифракционные данные для
образца 5Со/С. На дифрактограммах отмытых образцов отсутствуют рефлексы
кристаллического Co2(OH)3Cl. Однако выявлены другие рефлексы, одна часть которых
была отнесена к фазе гидроксида кобальта Со(ОН)2 (JCPDS № 74-1057), а другая ‒ не
идентифицирована. Видно также, что соотношение кристаллических модификаций
элементного кобальта осталось неизменным. Фазовый состав, соотношение
модификаций кобальта в образцах карбонизатов второй серии приведены в табл. 3.
Таблица 3. Влияние обработки металл-углеродных композитов Co/С на фазовый состав
Карбони
зат
Условия
обработки
Фазовый
состав,
Соотношение
модификаций
Со, масс. %
Фазовый
состав
после
нагрева до
1000 ᵒС
Соотноше-
ние оксидов
Со, масс. %
Исходный Сокуб
Согекса
72
28
Со3О4
СоО
50
50
2 недели на
воздухе
Сокуб
Согекса
Co2(OH)3Cl
65
35 -
4Со/С
Отмытый
(4Со/С-w)
Сокуб
Согекса
Co(OH)2,
Неизв. фаза
70
30
Со3О4
СоО
97
3
Исходный Сокуб
Согекса
65
35
Со3О4
СоО
62
38
2 недели на
воздухе
Сокуб
Согекса
Co2(OH)3Cl
58
42 -
5Со/С
Отмытый
(5Со/С-w)
Сокуб
Согекса
Co(OH)2
Неизв. фаза
70
30
Со3О4
СоО
98
2
Результаты дериватографических измерений приведены на рис. 2. Следует
отметить, что характер термограмм для всех углеродных композитов первой серии
очень близок: потери массы при нагревании до 1000 °С для 1Со/С, 2Со/С и 3Со/С
составили 63,5; 64,9 и 64,0 %, соответственно. Для образцов второй серии результаты
также подобны. Потери массы для углеродных композитов 4Со/С, 4Со/С-w, 5Со/С и
5Со/С-w составили 61,4; 60,9; 63,2 и 63,9 %, соответственно.
В процессе нагревания кобальт-углеродных композитов до 1000 °С в атмосфере
воздуха происходит полное окисление углерода до СО2 и уменьшение массы образца в
связи с удалением летучего продукта реакции. При этом металл окисляется до оксида
металла, что способствует увеличению массы в связи с присоединением кислорода.
Изменения, наблюдаемые на кривой ТГ в процессе повышения температуры, отражают
общий баланс этих двух противоположных тенденций. Зная состав оксида кобальта из
150
данных рентгенофазового анализа, состав порошка после дериватографических измере-
ний и потери массы по данным ТГ, можно определить содержание кобальта в кобальт-
углеродном композите [25].
а б
Рис. 2. Дериватограммы образцов 1Со/С (а) и 5Со/С-w (б)
Рентгенофазовый анализ порошков после дериватографических измерений
показал присутствие кристаллических Со3О4 (JCPDS № 74-1656) и СоО (JCPDS № 72-
1474) в различном соотношении. Результаты оценки соотношения содержания оксидов
кобальта (% масс.) для образцов второй серии приведены в табл. 3. Следует отметить
образование значительного количества СоО при полном окислении исходных
карбонизатов (50 и 38 % масс.) и очень малое его количество (несколько процентов) в
отмытых образцах.
Содержание кобальта в образцах определяли для каждого оксида отдельно с
учетом соотношения оксидов в продукте. Расчет поводили по формуле [25]
,
где m – содержание металла в нанокомпозите, %; N – изменение веса образца по
данным ТГ в %; А – атомный вес металла; n – число атомов металла в формуле оксида;
МО – молекулярный вес оксида. При этом учитывали содержание адсорбированной
воды по потере массы на кривых ТГ до 160 °С (табл. 4).
Содержание углерода в композите определяли по разнице массы навески
композита (за вычетом содержания адсорбированной воды) и расчетного количества
кобальта. В табл. 4 представлены результаты по составу кобальт-углеродных
композитов второй серии. Наибольшее отклонение в сумме компонентов от 100 % по
образцам составило – 3,1 % и + 3,3 %. Источником ошибок является присутствие золы
в лузге семян подсолнечника, присутствие кобальта в других соединениях, кроме
металла, и суммарная погрешность методов рентгеноструктурного анализа и
термогравиметрии. Повышенные значения содержания кобальта в нанокомпозите после
отмывки связаны только с изменением соотношения металл-углерод.
Адсорбционно-структурные характеристики кобальт-углеродных композитов
определяли по низкотемпературным изотермам адсорбции-десорбции азота (рис. 3,а).
Полученные изотермы можно приближенно отнести к I типу в соответствии с
классификацией ИЮПАК, с характерным резким подъёмом в области низких давлений
(< 0,1). Адсорбционно-структурные характеристики кобальт-углеродных композитов
определяли по низкотемпературным изотермам адсорбции-десорбции азота (рис. 3,а).
Полученные изотермы можно приближенно отнести к I типу в соответствии с класс-
151
1 10 100
0,000
0,001
0,002
0,003
0,004
0,005
И
Р
П
Р
R, нм
1
2
3
сификацией ИЮПАК, с характерным резким подъёмом в области низких давлений
(< 0,1).
Таблица 4. Влияние промывки водой образцов Со/С второй серии на величину
удельной поверхности и содержание кобальта
Образцы Sуд, м
2/г
Содержание
металла, %
Содержание
углерода, %
Содержание
Н2О, % , %
4Со/С 78 40,1 47,2 9,9 97,2
4Со/С-w 174 44,9 45,5 12,9 103,3
5Со/С 385 36,3 49,5 11,1 96,9
5Со/С -w 523 42,1 48,2 12,7 103,0
При дальнейшем увеличении давления изотермы становятся, практически,
параллельными оси абсцисс, т.е. адсорбция прекращается, что обусловлено объёмным
заполнением пор в геометрически ограниченном пространстве. Форма петли гисте-
резиса полученных изотерм адсорбции относится к типу H4, которая характерна для
микропористых адсорбентов.
а б
Рис. 3. Изотермы адсорбции‒десорбции азота (а) и распределение пор по размерам (б)
образцов 1Со/С (1), 2Со/С (2) и 3Со/С (3).
Приведенные в табл. 5 результаты расчета распределения пор по размерам пока-
зывают также, что полученные нанокомпозиты обладают преимущественно развитой
микропористостью.
Таблица 5.Текстурные характеристики образцов Со/С первой серии
Образец SБЭТ
(м2/г)
Sмикро
(м2/г)
Sмезо
(м2/г)
Sмакро
(м2/г)
Vпор
(см3/г)
Vмикро
(см3/г)
Vмезо
(см3/г)
Vмакро
(см3/г)
1Co/C 383 350 33 0 0.184 0.149 0.032 0.003
2Co/C 371 341 30 0 0.171 0.142 0.026 0.003
3Co/C 387 355 32 0 0.181 0.151 0.028 0.002
Адсорбция красителя метиленового синего часто используется для характе-
ризации адсорбентов и является стандартным методом оценки активированных древес-
ных углей [26]. На рис. 4 показаны изотермы адсорбции метиленового синего для всех
образцов обеих серий. Как видно, адсорбция красителя больше у образцов первой
152
серии, что объясняется большим содержанием пористого углерода (меньше кобальта) в
составе нанокомпозитов.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
0
20
40
60
80
100
120
140
160
A
M
С
, м
г/
г
C
MС
, мг/см3
1
2
3
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
0
20
40
60
80
А
М
С
, м
г/
г
С
МС
, мг/см3
1
2
3
4
а б
Рис.4. Изотермы адсорбции метиленового синего нанокомпозитами: а – 1Со/С (1),
2Со/С (2) и 3Со/С (3); б – 4Со/С (1), 4Со/С-w (2), 5Co/C (3) и 5Co/C-w (4).
Величина адсорбции красителя зависит не только от величины поверхности
(табл. 4), но и от ее химического состава, природы и содержания поверхностных
функциональных групп. Присутствие различного количества кобальта в смеси может
влиять на формирование текстуры композита, изменяя характер пористости вследствие
каталитического действия на углеродную часть сырьевой смеси в процессе
высокотемпературного пиролиза. Вклад в текстурные характеристики могут вносить и
образовавшиеся водорастворимые продукты реакции. Из рис. 5 видно, что суспензия
образца 5Со/С-w более темная, так как содержит некоторую часть тонкодисперсного
немагнитного компонента (по-видимому, углерода), который в течение суток
полностью оседает на дно. На фотографии (рис. 5) показано проявление магнитных
свойства отмытых образцов нанокомпозитов второй серии. Магнит расположен между
двумя бюксами с водными суспензиями образцов.
Рис. 5. Фотопроявления магнитной
чувствительности образцов
кобальт-углеродных
нанокомпозитов в воде. Названия
образцов указаны на бюксах.
153
Выводы
Импрегнирование лузги семян подсолнечника хлоридом кобальта перед пиро-
лизом позволяет получить кобальт-углеродный магниточувствительный нанокомпозит
с развитой микропористостью. В использованных условиях синтеза образуется пори-
стый углерод с кобальтом в кубической и гексагональной структурных модификациях,
при этом некоторая часть кобальта, по-видимому, сохраняет хлор. После адсорбции
влаги воздуха карбонизатом наблюдается образование водорастворимого кристал-
лического гидроксихлорида кобальта Со2(ОН)3Cl. Промытый водой карбонизат содер-
жит кобальт в кубической и гексагональной структурной модификациях, гидроксид
кобальта Со(ОН)2 и незначительное количество неидентифицированной кристал-
лической фазы. Промывка карбонизата водой способствует увеличению удельной
поверхности порошка в ~ 1,3 - 2,2 раза.
Работа выполнена при частичном финансировании от FP7 Marie Curie Actions
People Project “Hybrid nanocomposites and their applications - Compositum” Grant
Agreement Number PIRSES-GA-2008-230790
Литература
1. Забарный Г.Н., Клюс С.В., Довженко Д.С. Использование растительных отходов
для производства энергии // Альтернативная энергетика и экология. 2011. - № 8. -
С. 100-106.
2. Клюс С.В. Визначення енергетичного потенціалу соломи і рослинних відходів за
період незалежності України // Відновлювальна енергетика. 2012. - № 3 (30). - С.
71-79.
3. Державна служба статистики України (http://www.ukrstat.gov.ua/)
4. Акаева Т.К., Петрова С.Н. Основы химии и технологии получения и переработки
жиров. Часть 1. Технология получения растительных масел. Учебное пособие. ‒
Иваново: ИГХТУ. 2007. - 124 с.
5. Евтушенко С.Л. Влияние качественных показателей сырья и технологического
процесса на содержание протеина в семенах подсолнечника и продуктах его
переработки // Вісник НТУ «ХПІ». 2008. - № 3. - С.89-97.
6. Efanov M. V., Klepikov A. G. Preparation of N-containing lignocarbohydrates //
Chemistry of Natural Compounds. 2001. - V. 37, No. 1. - P. 80-82.
7. Осьмак А.А., Серёгин А.А. Растительная биомасса как органическое топливо //
Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2014. - Т. 2, № 8 ( 68 ). - С.
57-61.
8. Вторичные материальные ресурсы пищевой промышленности (образование и
использование). Справочник. Под ред. А.Е. Юрченко. — М.: "Экономика", 1984. —
327 с.
9. Ong, S., Keng, P., Lee, S., Leong, M. and Hung, Y. Equilibrium studies for the removal
of basic dye by sunflower seed husk (Helianthus annuus) // International Journal of the
Physical Sciences. 2010. - V. 5, Iss. 8. - P. 1270-1276.
10. Jain M., Garg V.K., Garg U.K., Kadirvelu K., Sillanpää M. Cadmium Removal from
Wastewater using Carbonaceous Adsorbents Prepared from Sunflower Waste // Int. J.
Environ. Res. 2015. - V. 9, Iss. 3. - P. 1079-1088.
11. Jain M., Garg V.K., Kadirvelu K., Sillanpää M. Adsorption of heavy metals from multi-
metal aqueous solution by sunflower plant biomass-based carbons // Int. J. Environ. Sci.
Technol. 2016. - V. 13. - P. 493–500.
154
12. Saleh M. E., EL-Refaey A.A., Mahmoud A.H. Effectiveness of Sunflower Seed Husk
Biochar for Removing Copper Ions from Wastewater: a Comparative Study // Soil &
Water Res. 2016. - V. 11, Iss. 1. - P. 53–63.
13. Salman J. M.,Almutairi F. D. Bath Adsorption Study of Methylene Blue Dye Onto
Sunflower Seeds Husks Activated Carbon // Advances in Natural Science. 2013. - V.6,
No. 3. - P. 44-47.
14. Srisorrachatr S. Modified sunflower seed husks for metal ions removal from wastewater
// Chemical Engineering Transactions. 2017. - V. 57. - P. 247-252. DOI:
10.3303/CET1757042
15. Махно С.Н., Богатырев В.М., Оранская Е.И., Гуня Г.М., Чернявская Т.В.,
Борисенко Н.В., Горбик П.П. Синтез и электрофизические свойства композитов на
основе пористого углерода и наночастиц никеля // Наноструктурное
материаловедение. 2013. - № 2. - С. 79-85.
16. Galaburda M.V., Bogatyrov V.M., Oranska O.I., Skubiszewska-Zieba J., Gun’ko V.M.,
Sternik D. Magneto-Sensitive Ni/C Adsorbents: Synthesis, Properties and Applications //
Adsorption Science & Technology. – 2015. – V. 33, Iss 6-8. – P. 523–530.
17. Galaburda M., Bogatyrov V., Oranska O., Gun’ko V., Skubiszewska-Zięba J., Urubkov I.
Synthesis and characterization of carbon composites containing Fe, Co, Ni
nanoparticles // J. Therm. Analysis and Calorimetry. – 2015. – V. 122, Iss. 2. – P. 553-
561.
18. Богатырев В.М., Галабурда М.В., Оранская Е.И., Борисенко Н.В., Васильева Е.А.,
Войтко И.И. Синтез и адсорбционные свойства магниточувствительных
нанокомпозитов на основе системыС/Ni // Поверхность. 2015. - Вып. 7(22). - С.196-
204.
19. Galaburda M.V., Bogatyrov V.M., Skubiszewska-Zięba J., Oranska O.I., Sternic D.,
Gunko V.M. Synthesis and structural features of resorcinol-formaldehyde resin chars
containing nickel nanoparticles // Appl. Surf. Sci. – 2016. V. 360. – P. 722-730.
20. Galaburda M.V., Bogatyrov V.M., Tomaszewski W., Oranska O.I., Borysenko M.V.,
Skubiszewska-Zięba J., Gun’ko V.M. Adsorption/desorption of explosives on Ni-, Co-,
and NiCo-carbon composites: Application in solid phase extraction // Colloids and
Surfaces A. 2017. - V. 529. - P. 950–958.
21. Gregg, S.J., Sing, K.S.W., 1982. Adsorption, Surface Area and Porosity, 2nd ed., pp. 41-
105, Academic Press, London.
22. Adamson, A.W., Gast, A.P., 1997. Physical Chemistry of Surfaces, 6th ed., pp. 599- 676,
Wiley, New York.
23. Gun'ko, V.M., 2014. Composite materials: Textural characteristics. Applied Surface
Science 307, 444–454.
24. Горелик С.С., Скаков Ю.А., Расторгуев Л.Н. Рентгенографический и электронно-
оптический анализ. Учебное пособие для вузов, 4-е издание. – М.: Изд-во Нацио-
нального исследовательского технологического университета „МИСиС“, 2002. –
359 с.
25. Богатырев В.М., Борисенко Н.В, Оранская Е.И., Галабурда М.В., Махно С.И.,
Горбик П.П. Синтез и свойства металл-углеродных нанокомпозитов Ni/C, Co/C и
Cu/C с повышенным содержанием металла // В этом сборнике.
26. ГОСТ 4453-74 «Уголь активный осветляющий древесный порошкообразный.
Технические условия»
155
SYNTHESIS AND ADSORPTION PROPERTIES OF COBALT-
CARBON NANOCOMPOSITES ON THE BASIS OF
SUNFLOWER SEED HUSKS
V. M. Bogatyrov1, M.V. Galaburda1, O. I. Oranska1, М. V. Borysenko1,
B. Charmas2, J. Skubiszewska-Zięba2, M. A. Komar3, I. I. Voitko3
1Chuiko Institute of Surface Chemistry of National Academy of Sciences of Ukraine,
17 General Naumov Str. Kyiv, 03164, Ukraine, e-mail: vbogat@ukr.net
2Maria Curie Skłodowska University M.C. Skłodowska Square 3, Lublin 20-031, Poland
3National Aviation University, prospect Komarova 1, Kyiv, 03058, Ukraine
Impregnation of sunflower seed husks with cobalt chloride with subsequent pyrolysis at
800 °C in an argon atmosphere allows obtaining metal-carbon magnetosensitive nanocomposites with
developed microporosity. This method leads to formation of porous carbon and metal cobalt in cubic
and hexagonal structural modifications, while a portion of cobalt forms a soluble compound in water.
The size of cobalt crystallites of cubic modification was 20-21 nm, and hexagonal - 12-13 nm. The
specific surface of the samples, depending on the synthesis conditions, ranged from 74 to 583 m2/g.
СИНТЕЗ І АДСОРБЦІЙНІ ВЛАСТИВОСТІ КОБАЛЬТ-
ВУГЛЕЦЕВОГО НАНОКОМПОЗИТУ НА ОСНОВІ
ЛУШПИННЯ СОНЯШНИКУ
В. М. Богатирьов1, М. В. Галабурда1, О. І. Оранська1, М. В. Борисенко1,
Б. Хармас2, Я. Скубішевська – Зієба2, М. А. Комар3, І. І. Войтко3.
1Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України
вул. Генерала Наумова 17, Київ, 03164, Україна, e-mail: vbogat@ukr.net
2Університет Марії Кюрі-Склодовської, пл. Марії Кюрі-Склодовської 3, Люблін, 20031, Польща
3Національний авіаційний університет, просп. Комарова 1, Київ, 03058, Україна
Просочення лушпиння насіння соняшнику хлоридом кобальту з подальшим піролізом при
800 °С в атмосфері аргону дозволяє отримати метал-вуглецевий магніточутливий наноком-
позит з розвиненою мікропористістю. Використання даних умов синтезу приводить до утво-
рення пористого вуглецю та кобальту в кубічній та гексагональній структурних модифікаціях,
при цьому, частина кобальту утворює розчинні у воді сполуки. Розмір кристалітів кобальту
кубічної модифікації становить 20 - 21 нм, а гексагональної 12 - 13 нм. Питома поверхня
зразків в залежності від умов синтезу становила 74 - 583 м2/г.
|
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-643 |
| institution | Surface |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-09-24T17:45:46Z |
| publishDate | 2017 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | surfacezbircomua/1b/11072c8051ba2344ed4297fe4871541b.pdf |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-6432018-12-01T11:48:46Z Synthesis and adsorption properties of cobalt-carbon nanocomposites on the basis of sunflower seed husks Синтез и адсорбционные свойства кобальт-углеродного нанокомпозита на основе лузги подсолнечника Синтез і адсорбційні властивості кобальт-вуглецевого нанокомпозиту на основі лушпиння соняшнику Bogatyrov, V. M. Galaburda, M. V. Oranska, O. I. Borysenko, M. V. Charmas, B. Skubiszewska-Zięba, J. Komar, M. A. Voitko, I. I. Impregnation of sunflower seed husks with cobalt chloride with subsequent pyrolysis at 800&nbsp;°C in an argon atmosphere allows obtaining metal-carbon magnetosensitive nanocomposites with developed microporosity. This method leads to formation of porous carbon and metal cobalt in cubic and hexagonal structural modifications, while a portion of cobalt forms a soluble compound in water. The size of cobalt crystallites of cubic modification was 20-21 nm, and hexagonal - 12-13 nm. The specific surface of the samples, depending on the synthesis conditions, ranged from 74 to 583 m2/g. Импрегнирование лузги семян подсолнечника хлоридом кобальта с последующим пиролизом при 800&nbsp;°С в атмосфере аргона позволяет получить кобальт-углеродный магниточувствительный нанокомпозит с развитой микропористостью. В использованных условиях синтеза формируется пористый углерод с кобальтом в кубической и гексагональной структурной модификациях, при этом часть кобальта образовывает растворимые в воде соединения. Размер кристаллитов кобальта кубической модификации составил 20&nbsp;–&nbsp;21 нм, а гексагональ-ной − 12&nbsp;–&nbsp;13 нм. Удельная поверхность образцов, в зависимости от условий синтеза, соста-вила от 74 до 583 м2/г.&nbsp; Просочення лушпиння насіння соняшнику хлоридом кобальту з подальшим піролізом при 800 °С в атмосфері аргону дозволяє отримати метал-вуглецевий магніточутливий наноком-позит з розвиненою мікропористістю. Використання даних умов синтезу приводить до утво-рення пористого вуглецю та кобальту в кубічній та гексагональній структурних модифікаціях, при цьому, частина кобальту утворює розчинні у воді сполуки. Розмір кристалітів кобальту кубічної модифікації становить 20 ‑ 21 нм, а гексагональної 12 ‑ 13 нм. Питома поверхня зразків в залежності від умов синтезу становила 74 ‑ 583 м2/г. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2017-10-08 Article Article application/pdf https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/643 10.15407/Surface.2017.09.145 Surface; No. 9(24) (2017): Surface; 145-155 Поверхность; № 9(24) (2017): Поверхность; 145-155 Поверхня; № 9(24) (2017): Поверхня; 145-155 3154-8091 3154-8083 10.15407/Surface.2017.09 ru https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/643/643 Авторське право (c) 2017 V. M. Bogatyrov, M.V. Galaburda, O. I. Oranska, М. V. Borysenko, B. Charmas, J. Skubiszewska-Zięba, M. A. Komar, I. I. Voitko |
| spellingShingle | Bogatyrov, V. M. Galaburda, M. V. Oranska, O. I. Borysenko, M. V. Charmas, B. Skubiszewska-Zięba, J. Komar, M. A. Voitko, I. I. Синтез і адсорбційні властивості кобальт-вуглецевого нанокомпозиту на основі лушпиння соняшнику |
| title | Синтез і адсорбційні властивості кобальт-вуглецевого нанокомпозиту на основі лушпиння соняшнику |
| title_alt | Synthesis and adsorption properties of cobalt-carbon nanocomposites on the basis of sunflower seed husks Синтез и адсорбционные свойства кобальт-углеродного нанокомпозита на основе лузги подсолнечника |
| title_full | Синтез і адсорбційні властивості кобальт-вуглецевого нанокомпозиту на основі лушпиння соняшнику |
| title_fullStr | Синтез і адсорбційні властивості кобальт-вуглецевого нанокомпозиту на основі лушпиння соняшнику |
| title_full_unstemmed | Синтез і адсорбційні властивості кобальт-вуглецевого нанокомпозиту на основі лушпиння соняшнику |
| title_short | Синтез і адсорбційні властивості кобальт-вуглецевого нанокомпозиту на основі лушпиння соняшнику |
| title_sort | синтез і адсорбційні властивості кобальт-вуглецевого нанокомпозиту на основі лушпиння соняшнику |
| url | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/643 |
| work_keys_str_mv | AT bogatyrovvm synthesisandadsorptionpropertiesofcobaltcarbonnanocompositesonthebasisofsunflowerseedhusks AT galaburdamv synthesisandadsorptionpropertiesofcobaltcarbonnanocompositesonthebasisofsunflowerseedhusks AT oranskaoi synthesisandadsorptionpropertiesofcobaltcarbonnanocompositesonthebasisofsunflowerseedhusks AT borysenkomv synthesisandadsorptionpropertiesofcobaltcarbonnanocompositesonthebasisofsunflowerseedhusks AT charmasb synthesisandadsorptionpropertiesofcobaltcarbonnanocompositesonthebasisofsunflowerseedhusks AT skubiszewskaziebaj synthesisandadsorptionpropertiesofcobaltcarbonnanocompositesonthebasisofsunflowerseedhusks AT komarma synthesisandadsorptionpropertiesofcobaltcarbonnanocompositesonthebasisofsunflowerseedhusks AT voitkoii synthesisandadsorptionpropertiesofcobaltcarbonnanocompositesonthebasisofsunflowerseedhusks AT bogatyrovvm sinteziadsorbcionnyesvojstvakobalʹtuglerodnogonanokompozitanaosnoveluzgipodsolnečnika AT galaburdamv sinteziadsorbcionnyesvojstvakobalʹtuglerodnogonanokompozitanaosnoveluzgipodsolnečnika AT oranskaoi sinteziadsorbcionnyesvojstvakobalʹtuglerodnogonanokompozitanaosnoveluzgipodsolnečnika AT borysenkomv sinteziadsorbcionnyesvojstvakobalʹtuglerodnogonanokompozitanaosnoveluzgipodsolnečnika AT charmasb sinteziadsorbcionnyesvojstvakobalʹtuglerodnogonanokompozitanaosnoveluzgipodsolnečnika AT skubiszewskaziebaj sinteziadsorbcionnyesvojstvakobalʹtuglerodnogonanokompozitanaosnoveluzgipodsolnečnika AT komarma sinteziadsorbcionnyesvojstvakobalʹtuglerodnogonanokompozitanaosnoveluzgipodsolnečnika AT voitkoii sinteziadsorbcionnyesvojstvakobalʹtuglerodnogonanokompozitanaosnoveluzgipodsolnečnika AT bogatyrovvm sintezíadsorbcíjnívlastivostíkobalʹtvuglecevogonanokompozitunaosnovílušpinnâsonâšniku AT galaburdamv sintezíadsorbcíjnívlastivostíkobalʹtvuglecevogonanokompozitunaosnovílušpinnâsonâšniku AT oranskaoi sintezíadsorbcíjnívlastivostíkobalʹtvuglecevogonanokompozitunaosnovílušpinnâsonâšniku AT borysenkomv sintezíadsorbcíjnívlastivostíkobalʹtvuglecevogonanokompozitunaosnovílušpinnâsonâšniku AT charmasb sintezíadsorbcíjnívlastivostíkobalʹtvuglecevogonanokompozitunaosnovílušpinnâsonâšniku AT skubiszewskaziebaj sintezíadsorbcíjnívlastivostíkobalʹtvuglecevogonanokompozitunaosnovílušpinnâsonâšniku AT komarma sintezíadsorbcíjnívlastivostíkobalʹtvuglecevogonanokompozitunaosnovílušpinnâsonâšniku AT voitkoii sintezíadsorbcíjnívlastivostíkobalʹtvuglecevogonanokompozitunaosnovílušpinnâsonâšniku |