Вплив морфології частинок, текстури та будови поверхні різних сорбентів на характеристики зв’язаної води при низьких температурах
The temperature and interfacial behaviors of water bound to various sorbents (silicas, carbons, polymers, etc.) are of interest from both theoretical and practical points of view because a certain amount of water could be always adsorbed from air and can affect the material properties, especially at...
Saved in:
| Date: | 2024 |
|---|---|
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | English |
| Published: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2024
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/742 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
Institution
Chemistry, Physics and Technology of Surface| _version_ | 1856543961349357568 |
|---|---|
| author | Gun'ko, V. M. Turov, V. V. |
| author_facet | Gun'ko, V. M. Turov, V. V. |
| author_sort | Gun'ko, V. M. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2025-06-19T09:14:50Z |
| description | The temperature and interfacial behaviors of water bound to various sorbents (silicas, carbons, polymers, etc.) are of interest from both theoretical and practical points of view because a certain amount of water could be always adsorbed from air and can affect the material properties, especially at low temperatures due to possible frost damage. These behaviors could be studied using low-temperature 1H NMR spectroscopy of static samples. The particulate morphology and texture of sorbents were characterized using microscopic and nitrogen adsorption methods. The study well demonstrates the influence of various factors including the morphology, texture, and surface structure of sorbents on the temperature and interfacial behaviors of bound water in the amounts smaller than the pore volume of sorbents. Upon volume infilling of pores by water, the textural and morphological effects (leading to the freezing/melting point depression) could be stronger than the effect of the surface structure (leading to the reorganization of bound water), because only one-two adsorption layers are well sensitive to the surface structure (polar or nonpolar surface functionalities). Therefore, changes in the relative amounts of unfrozen water Cuw(T)/C280K vs. temperature (at 200 K < T < 273 K) are similar for very different sorbents such as nanosilica, nano/mesoporous silica gel, and activated carbon (at close water amounts in the hydration range of h = 0.04–0.06 g/g) in contrast to that for microcrystalline cellulose. There are strong effects caused by the bound water amounts that are better observed for sorbents with a great contribution of nanopores, e.g., activated carbon AC–86 possessing very high specific surface area due to significant nanoporosity. A nonmonotonic effect of the amounts of water bound to AC–86 could be explained by nonuniform distribution of O-containing functionalities (mainly located at the edges of carbon sheets at the entrances into slitshaped hydrophobic nanopores). The clustered adsorption of water around these functionalities inhibits penetration of water into nanopores (formed by hydrophobic basal planes) especially at small amounts of water. An increase in the water content causes more intensive diffusion of the water molecules into narrower but less hydrophilic pores of AC–86 that results in enhanced freezing/melting point depression. The obtained results are of interest from a practical point of view since very different and practically important sorbents were analyzed in parallel at low temperatures upon various wetting. |
| first_indexed | 2025-07-22T19:35:28Z |
| format | Article |
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-742 |
| institution | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
| language | English |
| last_indexed | 2025-09-24T17:45:57Z |
| publishDate | 2024 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-7422025-06-19T09:14:50Z Effects of particulate morphology, texture, and surface structures of various sorbents on bound water characteristics at low temperatures Вплив морфології частинок, текстури та будови поверхні різних сорбентів на характеристики зв’язаної води при низьких температурах Gun'ko, V. M. Turov, V. V. porous sorbents disperse sorbents silica sorbents carbon sorbents microcrystalline cellulose unfrozen water interfacial phenomena пористі сорбенти дисперсні сорбенти кремнеземні сорбенти вуглецеві сорбенти мікрокристалічна целюлоза рідка вода явища на межах поділу The temperature and interfacial behaviors of water bound to various sorbents (silicas, carbons, polymers, etc.) are of interest from both theoretical and practical points of view because a certain amount of water could be always adsorbed from air and can affect the material properties, especially at low temperatures due to possible frost damage. These behaviors could be studied using low-temperature 1H NMR spectroscopy of static samples. The particulate morphology and texture of sorbents were characterized using microscopic and nitrogen adsorption methods. The study well demonstrates the influence of various factors including the morphology, texture, and surface structure of sorbents on the temperature and interfacial behaviors of bound water in the amounts smaller than the pore volume of sorbents. Upon volume infilling of pores by water, the textural and morphological effects (leading to the freezing/melting point depression) could be stronger than the effect of the surface structure (leading to the reorganization of bound water), because only one-two adsorption layers are well sensitive to the surface structure (polar or nonpolar surface functionalities). Therefore, changes in the relative amounts of unfrozen water Cuw(T)/C280K vs. temperature (at 200 K < T < 273 K) are similar for very different sorbents such as nanosilica, nano/mesoporous silica gel, and activated carbon (at close water amounts in the hydration range of h = 0.04–0.06 g/g) in contrast to that for microcrystalline cellulose. There are strong effects caused by the bound water amounts that are better observed for sorbents with a great contribution of nanopores, e.g., activated carbon AC–86 possessing very high specific surface area due to significant nanoporosity. A nonmonotonic effect of the amounts of water bound to AC–86 could be explained by nonuniform distribution of O-containing functionalities (mainly located at the edges of carbon sheets at the entrances into slitshaped hydrophobic nanopores). The clustered adsorption of water around these functionalities inhibits penetration of water into nanopores (formed by hydrophobic basal planes) especially at small amounts of water. An increase in the water content causes more intensive diffusion of the water molecules into narrower but less hydrophilic pores of AC–86 that results in enhanced freezing/melting point depression. The obtained results are of interest from a practical point of view since very different and practically important sorbents were analyzed in parallel at low temperatures upon various wetting. Температурна та межфазна поведінка води, зв’язаної з різними сорбентами (кремнеземом, вуглецем, полімерами тощо), являє інтерес як з теоретичної, так і з практичної точок зору, оскільки певна кількість води може адсорбуватися з повітря та може впливати на властивості матеріалу, особливо при низьких температурах через можливе пошкодження при заморожуванні води. Цю поведінку можна вивчити за допомогою низькотемпературної 1H ЯМР-спектроскопії статичних зразків. Морфологію та структуру частинок досліджуваних сорбентів охарактеризовано за допомогою мікроскопічних та азотно-адсорбційних методів. Дослідження добре демонструє вплив різних факторів, включаючи морфологію, текстуру та структуру поверхні сорбентів, на температурну та межфазну поведінку зв’язаної води в кількостях, менших за об’єм пор сорбентів. При об’ємному заповненні пор водою текстурні та морфологічні ефекти (що призводять, наприклад, до зниження точки замерзання/плавлення) можуть бути сильнішими, ніж вплив структури поверхні (що призводить, наприклад, до реорганізації зв’язаної води), оскільки лише один-два адсорбційних шари добре чутливі до структури поверхні (тобто полярних чи неполярних поверхневих структур). Таким чином, відносні кількості незамерзлої води Cuw(T)/C280K (при 200 K < T < 273 K) подібні для дуже різних сорбентів, таких як нанокремнезем A–300, нано/мезопористий силікагель 200DF та активований вуглець AC–86 (при близькій кількості води в інтервалі гідратації h = 0.04–0.06 г/г) на відміну від мікрокристалічної целюлози. Існують сильні ефекти, викликані різною кількістю води, які краще спостерігаються для сорбентів із великим вмістом нанопор, наприклад, AC–86, що має дуже високу питому поверхню через значну нанопористість. Немонотонний ефект кількості води, зв'язаної з AC–86, можна пояснити нерівномірним розподілом O-вмісних функціональних груп (переважно розташованих на краях вуглецевих листів на входах у щілиноподібні гідрофобні нанопори). Кластерна адсорбція води навколо цих функціональних структур перешкоджає проникненню води в нанопори (утворені гідрофобними базальними площинами), особливо при невеликих кількостях води. Збільшення вмісту води викликає більш інтенсивну дифузію молекул води у вужчі пори але менш гідрофільні, що призводить до посиленого зниження точки замерзання/плавлення. Отримані результати являють інтерес з практичної точки зору, оскільки паралельно аналізувалися дуже різні та практично важливі сорбенти. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2024-11-23 Article Article application/pdf https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/742 10.15407/hftp15.04.441 Chemistry, Physics and Technology of Surface; Vol. 15 No. 4 (2024): Chemistry, Physics and Technology of Surface / Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni; 441-455 Химия, физика и технология поверхности; Том 15 № 4 (2024): Chemistry, Physics and Technology of Surface / Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni; 441-455 Хімія, фізика та технологія поверхні; Том 15 № 4 (2024): Хімія, фізика та технологія поверхні; 441-455 2518-1238 2079-1704 10.15407/hftp15.04 en https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/742/760 Copyright (c) 2024 V. M. Gun'ko, V. V Turov |
| spellingShingle | пористі сорбенти дисперсні сорбенти кремнеземні сорбенти вуглецеві сорбенти мікрокристалічна целюлоза рідка вода явища на межах поділу Gun'ko, V. M. Turov, V. V. Вплив морфології частинок, текстури та будови поверхні різних сорбентів на характеристики зв’язаної води при низьких температурах |
| title | Вплив морфології частинок, текстури та будови поверхні різних сорбентів на характеристики зв’язаної води при низьких температурах |
| title_alt | Effects of particulate morphology, texture, and surface structures of various sorbents on bound water characteristics at low temperatures |
| title_full | Вплив морфології частинок, текстури та будови поверхні різних сорбентів на характеристики зв’язаної води при низьких температурах |
| title_fullStr | Вплив морфології частинок, текстури та будови поверхні різних сорбентів на характеристики зв’язаної води при низьких температурах |
| title_full_unstemmed | Вплив морфології частинок, текстури та будови поверхні різних сорбентів на характеристики зв’язаної води при низьких температурах |
| title_short | Вплив морфології частинок, текстури та будови поверхні різних сорбентів на характеристики зв’язаної води при низьких температурах |
| title_sort | вплив морфології частинок, текстури та будови поверхні різних сорбентів на характеристики зв’язаної води при низьких температурах |
| topic | пористі сорбенти дисперсні сорбенти кремнеземні сорбенти вуглецеві сорбенти мікрокристалічна целюлоза рідка вода явища на межах поділу |
| topic_facet | porous sorbents disperse sorbents silica sorbents carbon sorbents microcrystalline cellulose unfrozen water interfacial phenomena пористі сорбенти дисперсні сорбенти кремнеземні сорбенти вуглецеві сорбенти мікрокристалічна целюлоза рідка вода явища на межах поділу |
| url | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/742 |
| work_keys_str_mv | AT gunkovm effectsofparticulatemorphologytextureandsurfacestructuresofvarioussorbentsonboundwatercharacteristicsatlowtemperatures AT turovvv effectsofparticulatemorphologytextureandsurfacestructuresofvarioussorbentsonboundwatercharacteristicsatlowtemperatures AT gunkovm vplivmorfologííčastinokteksturitabudovipoverhníríznihsorbentívnaharakteristikizvâzanoívodiprinizʹkihtemperaturah AT turovvv vplivmorfologííčastinokteksturitabudovipoverhníríznihsorbentívnaharakteristikizvâzanoívodiprinizʹkihtemperaturah |