Експериментальне та теоретичне дослідження адсорбційної активності шунгіту методом контактного змочування
The contact wetting is one of the effective methods of studying the adsorption capacity of sorbents. The purpose of the work was to compare the experimentally obtained data on the adsorption capacity of shungite, obtained by the sessile drop method, and the results of modeling the behavior of liquid...
Gespeichert in:
| Datum: | 2024 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2024
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/717 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
Institution
Chemistry, Physics and Technology of Surface| _version_ | 1856543956212383744 |
|---|---|
| author | Efremov, O. O. Loginova, O. B. Starik, S. P. Ilnytska, G. D. |
| author_facet | Efremov, O. O. Loginova, O. B. Starik, S. P. Ilnytska, G. D. |
| author_sort | Efremov, O. O. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2025-06-19T09:43:54Z |
| description | The contact wetting is one of the effective methods of studying the adsorption capacity of sorbents. The purpose of the work was to compare the experimentally obtained data on the adsorption capacity of shungite, obtained by the sessile drop method, and the results of modeling the behavior of liquid droplets on heterogeneous surfaces using the Boltzmann lattice method, and to show the suitability of the simplified version of the LBM method that we applied within the framework of a two-dimensional model for modeling complex cases of contact interaction between liquids and sorbent, when it cannot be carried out by the method of contact wetting.The adsorption properties of shungite with regard to the extraction of various impurities from water-alcohol solutions and the capability of the sorbent to recover were investigated by the method of contact wetting and analyzed by involving the data obtained by the methods of nitrogen adsorption, thermogravimetry and IR spectroscopy. It is shown that the adsorption properties of shungite are due to the presence on its surface of hydroxyl functional groups attached to carbon atoms in phenol or enol form, which give the surface hydrophilic characteristics. These groups play a key role in the adsorption of components from the liquid (aqueous) phase due to the formation of a hydrogen bond during the sorption of components from the liquid phase, and are restored after heating in the temperature range of 80–180 °C with the formation of carbon-containing gases and water. It has been found that silanol groups present in shungite do not participate in sorption.Compared to the original shungite sample, the sample after five cycles of adsorption is characterized by a noticeable effect of mass loss (1.8 %) in the temperature range of 80–180 °С. At the same time, the loss of mass is not significant at temperatures below 100 °С. This suggests that the sorbed substances are in the pores and not on the surface of shungite, and they begin to be removed only after heating above 100 °C.The LBM method was used to study fast-moving processes at the meso-level. A comparative analysis of the experimental data obtained by the method of contact wetting with the results of simulation by the Boltzmann lattice method within the framework of the two-dimensional model was carried out. 2D modeling by the LBM method turned out to be an effective means of studying capillary condensation in mesopores, anticipatory wetting of the solid phase, liquid penetration into a porous medium with different topologies, and the formation of anisotropic droplets and anisotropic bridges. The role of mesopores in the sorption process was analyzed by modeling the behavior of liquid droplets on heterogeneous surfaces and using data on the course of adsorption and capillary processes on the surface of a solid phase with different levels of porosity, roughness, and functional composition. |
| first_indexed | 2025-07-22T19:35:16Z |
| format | Article |
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-717 |
| institution | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-09-24T17:45:54Z |
| publishDate | 2024 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-7172025-06-19T09:43:54Z Experimental and theoretical study on shungite adsorption activity by the sessile drop method Експериментальне та теоретичне дослідження адсорбційної активності шунгіту методом контактного змочування Efremov, O. O. Loginova, O. B. Starik, S. P. Ilnytska, G. D. natural sorbents shungite wetting hysteresis adsorption porous medium lattice Boltzmann method modeling природні сорбенти шунгіт гістерезис змочування адсорбція пористе середовище ґратковий метод Больцмана моделювання The contact wetting is one of the effective methods of studying the adsorption capacity of sorbents. The purpose of the work was to compare the experimentally obtained data on the adsorption capacity of shungite, obtained by the sessile drop method, and the results of modeling the behavior of liquid droplets on heterogeneous surfaces using the Boltzmann lattice method, and to show the suitability of the simplified version of the LBM method that we applied within the framework of a two-dimensional model for modeling complex cases of contact interaction between liquids and sorbent, when it cannot be carried out by the method of contact wetting.The adsorption properties of shungite with regard to the extraction of various impurities from water-alcohol solutions and the capability of the sorbent to recover were investigated by the method of contact wetting and analyzed by involving the data obtained by the methods of nitrogen adsorption, thermogravimetry and IR spectroscopy. It is shown that the adsorption properties of shungite are due to the presence on its surface of hydroxyl functional groups attached to carbon atoms in phenol or enol form, which give the surface hydrophilic characteristics. These groups play a key role in the adsorption of components from the liquid (aqueous) phase due to the formation of a hydrogen bond during the sorption of components from the liquid phase, and are restored after heating in the temperature range of 80–180 °C with the formation of carbon-containing gases and water. It has been found that silanol groups present in shungite do not participate in sorption.Compared to the original shungite sample, the sample after five cycles of adsorption is characterized by a noticeable effect of mass loss (1.8 %) in the temperature range of 80–180 °С. At the same time, the loss of mass is not significant at temperatures below 100 °С. This suggests that the sorbed substances are in the pores and not on the surface of shungite, and they begin to be removed only after heating above 100 °C.The LBM method was used to study fast-moving processes at the meso-level. A comparative analysis of the experimental data obtained by the method of contact wetting with the results of simulation by the Boltzmann lattice method within the framework of the two-dimensional model was carried out. 2D modeling by the LBM method turned out to be an effective means of studying capillary condensation in mesopores, anticipatory wetting of the solid phase, liquid penetration into a porous medium with different topologies, and the formation of anisotropic droplets and anisotropic bridges. The role of mesopores in the sorption process was analyzed by modeling the behavior of liquid droplets on heterogeneous surfaces and using data on the course of adsorption and capillary processes on the surface of a solid phase with different levels of porosity, roughness, and functional composition. Метод контактного змочування є одним з ефективних методів вивчення адсорбційної здатності сорбентів. Метою роботи було проведення порівняння експериментальних даних адсорбційної здатності шунгіту, отриманих методом контактного змочування, та результатів моделювання поведінки крапель рідин на гетерогенних поверхнях методом ґраток Больцмана, і показати придатність застосованого нами полегшеного варіанту методу LBM у рамках двовимірної моделі для моделювання складних випадків контактної взаємодії між рідиною та сорбентом, коли її не можна здійснити методом контактного змочування.Адсорбційні властивості шунгіту щодо вилучення різних домішок з водно-спиртових розчинів та здатність сорбента до відновлення досліджено методом контактного змочування та проаналізовано шляхом залучення даних, отриманих методами адсорбції азоту, термогравіметрії та ІЧ-спектроскопії. Показано, що адсорбційні властивості шунгіту обумовлені наявністю на його поверхні гідроксильних функціональних груп, що приєднані до атомів вуглецю у фенольній або енольній формі, які надають поверхні гідрофільні властивості. Ці групи відіграють ключову роль в адсорбції компонентів з рідкої (водної) фази за рахунок утворення водневого зв’язку, і відновлюються після нагрівання в температурному інтервалі 80–180 °С з утворенням вуглецьвмісних газів і води. Встановлено, що присутні в шунгіті силанольні групи не беруть участі у сорбції. Порівняно з вихідним, зразок шунгіту після п’яти циклів адсорбції характеризується помітним ефектом втрати маси (1.8 %) в температурному інтервалі 80–180 °С. Це свідчить про те, що сорбовані речовини знаходяться у порах, а не на поверхні шунгіту, і вони починають видаляти тільки після нагрівання вище 100 °С.Використано метод LBM для дослідження швидкоплинних процесів на мезо-рівні. Проведено порівняльний аналіз дослідних даних, отриманих методом контактного змочування, з результатами моделювання методом ґраток Больцмана у рамках двовимірної моделі. 2D моделювання LBM методом виявилося ефективним засобом дослідження капілярної конденсації в мезопорах, випереджального змочування твердої фази, проникнення рідини в пористе середовище з різною топологією, формування анізотропних крапель та анізотропних містків. Шляхом моделювання поведінки крапель рідин на гетерогенних поверхнях та залучення даних про перебіг адсорбційних та капілярних процесів на поверхні твердої фази з різним рівнем поруватості, шорсткості та функціонального складу проаналізовано роль мезопор для процесу сорбції. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2024-05-31 Article Article application/pdf https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/717 10.15407/hftp15.02.139 Chemistry, Physics and Technology of Surface; Vol. 15 No. 2 (2024): Chemistry, Physics and Technology of Surface / Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni; 139-158 Химия, физика и технология поверхности; Том 15 № 2 (2024): Chemistry, Physics and Technology of Surface / Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni; 139-158 Хімія, фізика та технологія поверхні; Том 15 № 2 (2024): Хімія, фізика та технологія поверхні; 139-158 2518-1238 2079-1704 10.15407/hftp15.02 uk https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/717/733 Copyright (c) 2024 O. O. Efremov, O. B. Loginova, S. P. Starik, G. D. Ilnytska |
| spellingShingle | природні сорбенти шунгіт гістерезис змочування адсорбція пористе середовище ґратковий метод Больцмана моделювання Efremov, O. O. Loginova, O. B. Starik, S. P. Ilnytska, G. D. Експериментальне та теоретичне дослідження адсорбційної активності шунгіту методом контактного змочування |
| title | Експериментальне та теоретичне дослідження адсорбційної активності шунгіту методом контактного змочування |
| title_alt | Experimental and theoretical study on shungite adsorption activity by the sessile drop method |
| title_full | Експериментальне та теоретичне дослідження адсорбційної активності шунгіту методом контактного змочування |
| title_fullStr | Експериментальне та теоретичне дослідження адсорбційної активності шунгіту методом контактного змочування |
| title_full_unstemmed | Експериментальне та теоретичне дослідження адсорбційної активності шунгіту методом контактного змочування |
| title_short | Експериментальне та теоретичне дослідження адсорбційної активності шунгіту методом контактного змочування |
| title_sort | експериментальне та теоретичне дослідження адсорбційної активності шунгіту методом контактного змочування |
| topic | природні сорбенти шунгіт гістерезис змочування адсорбція пористе середовище ґратковий метод Больцмана моделювання |
| topic_facet | natural sorbents shungite wetting hysteresis adsorption porous medium lattice Boltzmann method modeling природні сорбенти шунгіт гістерезис змочування адсорбція пористе середовище ґратковий метод Больцмана моделювання |
| url | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/717 |
| work_keys_str_mv | AT efremovoo experimentalandtheoreticalstudyonshungiteadsorptionactivitybythesessiledropmethod AT loginovaob experimentalandtheoreticalstudyonshungiteadsorptionactivitybythesessiledropmethod AT stariksp experimentalandtheoreticalstudyonshungiteadsorptionactivitybythesessiledropmethod AT ilnytskagd experimentalandtheoreticalstudyonshungiteadsorptionactivitybythesessiledropmethod AT efremovoo eksperimentalʹnetateoretičnedoslídžennâadsorbcíjnoíaktivnostíšungítumetodomkontaktnogozmočuvannâ AT loginovaob eksperimentalʹnetateoretičnedoslídžennâadsorbcíjnoíaktivnostíšungítumetodomkontaktnogozmočuvannâ AT stariksp eksperimentalʹnetateoretičnedoslídžennâadsorbcíjnoíaktivnostíšungítumetodomkontaktnogozmočuvannâ AT ilnytskagd eksperimentalʹnetateoretičnedoslídžennâadsorbcíjnoíaktivnostíšungítumetodomkontaktnogozmočuvannâ |