Взаємодія концентрованих розчинів NaCl з гідрофільним і гідрофобним пірогенними кремнеземами
In porous or disperse media, the temperature and interfacial behaviors of water and solutions could be strongly affected by confined space effects (CSE). The surface nature of solids could influence the interfacial phenomena including both CSE and cryoscopic effects caused by the colligative propert...
Gespeichert in:
| Datum: | 2024 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Englisch |
| Veröffentlicht: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2024
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/785 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Surface |
Institution
Surface| _version_ | 1869291991449206784 |
|---|---|
| author | Гунько, В.М. Борисенко, М.В. Головань, A.П. Kрупська, T.В. Вей, К. Женг, Дж. Янг, В. Туров, В.В. |
| author_facet | Гунько, В.М. Борисенко, М.В. Головань, A.П. Kрупська, T.В. Вей, К. Женг, Дж. Янг, В. Туров, В.В. |
| author_institution_txt_mv | [] |
| author_sort | Гунько, В.М. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2025-02-04T10:40:31Z |
| description | In porous or disperse media, the temperature and interfacial behaviors of water and solutions could be strongly affected by confined space effects (CSE). The surface nature of solids could influence the interfacial phenomena including both CSE and cryoscopic effects caused by the colligative properties of solutions. Strong changes in the characteristics of adsorption liquid layers, especially in narrow pores, are also caused by decreasing solvent activity. Therefore, it is of interest to compare the behaviors of water and NaCl solutions under CSE caused by hydrophilic and hydrophobic sorbents. Here, hydrophobic (AM–1) and hydrophilic (A–300) fumed silicas are used as representatives of disperse sorbents with different surface structure and characterized by textural porosity. This porosity is caused by voids between nonporous nanoparticles (NPNP) forming aggregates, agglomerates of aggregates, and visible particles (supra-NP structures) in the powders of low bulk density. Initial materials and related treated systems with bound water and NaCl/water were studied using nitrogen adsorption, microscopy, X–ray diffraction, infrared spectroscopy, thermogravimetry, rheometry, nuclear magnetic resonance spectroscopy, and quantum chemistry. Water bound to fumed silicas with or without NaCl could be assigned to several types: weakly (WBW, frozen at 260 K < T < 273 K) and strongly (SBW, frozen at T < 260 K) bound waters; weakly (WAW, chemical shift of dH = 0.5 – 2 ppm) and strongly (SAW, dH = 4 – 6 ppm) associated waters. WAW is not observed for A–300 systems. Additionally, in the systems with water/NaCl, there is frozen (immobile) water characterized by melting delay (T > Tm) at 273 K < T < 287 K (metastable water, MSW). The MSW appearance may be explained by release (with certain kinetic delay) of water trapped in NaCl crystallites dissolved at T > Tm = 273.15 K upon increasing amounts of liquid water with increasing temperature. The difference in the CSE in voids in hydrophobic and hydrophilic supra-NP structures onto bound water could be explained by the surface (–O)2Si(CH3)2 functionalities enhancing the clusterization of water bound to AM–1. As a whole, the difference in the surface nature of AM–1 and A–300 affects: (i) the NaCl crystallite size distributions; (ii) melting/crystallization temperatures of NaCl; (iii) viscosity and torque vs. shear rate (strain); (iv) temperature and interfacial behaviors of water alone and NaCl solutions at 215 – 287 K; and (v) effects of dispersion media influencing bound water. Obtained results are of interest not only from a theoretical point of view but also from a practical one since both silicas are used as components of composites containing water and NaCl (or other salts) in various practical applications in medicine, agriculture, etc. |
| doi_str_mv | 10.15407/Surface.2024.16.085 |
| first_indexed | 2025-07-22T19:35:43Z |
| format | Article |
| fulltext | |
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-785 |
| institution | Surface |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | English |
| last_indexed | 2026-06-29T01:16:02Z |
| publishDate | 2024 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-7852025-02-04T10:40:31Z Interaction of concentrated NaCl solutions with hydrophilic and hydrophobic fumed silicas Взаємодія концентрованих розчинів NaCl з гідрофільним і гідрофобним пірогенними кремнеземами Гунько, В.М. Борисенко, М.В. Головань, A.П. Kрупська, T.В. Вей, К. Женг, Дж. Янг, В. Туров, В.В. hydrophobic fumed silica hydrophilic fumed silica concentrated NaCl solution interfacial water confined space effects cryoscopic effects interfacial solution behavior temperature behavior гідрофобний пірогенний кремнезем гідрофільний пірогенний кремнезем концентровані розчини NaCl вода на межах поділу ефекти обмеженого простору кріоскопічні ефекти поведінка розчинів на межах поділу температурна поведінка In porous or disperse media, the temperature and interfacial behaviors of water and solutions could be strongly affected by confined space effects (CSE). The surface nature of solids could influence the interfacial phenomena including both CSE and cryoscopic effects caused by the colligative properties of solutions. Strong changes in the characteristics of adsorption liquid layers, especially in narrow pores, are also caused by decreasing solvent activity. Therefore, it is of interest to compare the behaviors of water and NaCl solutions under CSE caused by hydrophilic and hydrophobic sorbents. Here, hydrophobic (AM–1) and hydrophilic (A–300) fumed silicas are used as representatives of disperse sorbents with different surface structure and characterized by textural porosity. This porosity is caused by voids between nonporous nanoparticles (NPNP) forming aggregates, agglomerates of aggregates, and visible particles (supra-NP structures) in the powders of low bulk density. Initial materials and related treated systems with bound water and NaCl/water were studied using nitrogen adsorption, microscopy, X–ray diffraction, infrared spectroscopy, thermogravimetry, rheometry, nuclear magnetic resonance spectroscopy, and quantum chemistry. Water bound to fumed silicas with or without NaCl could be assigned to several types: weakly (WBW, frozen at 260 K < T < 273 K) and strongly (SBW, frozen at T < 260 K) bound waters; weakly (WAW, chemical shift of dH = 0.5 – 2 ppm) and strongly (SAW, dH = 4 – 6 ppm) associated waters. WAW is not observed for A–300 systems. Additionally, in the systems with water/NaCl, there is frozen (immobile) water characterized by melting delay (T > Tm) at 273 K < T < 287 K (metastable water, MSW). The MSW appearance may be explained by release (with certain kinetic delay) of water trapped in NaCl crystallites dissolved at T > Tm = 273.15 K upon increasing amounts of liquid water with increasing temperature. The difference in the CSE in voids in hydrophobic and hydrophilic supra-NP structures onto bound water could be explained by the surface (–O)2Si(CH3)2 functionalities enhancing the clusterization of water bound to AM–1. As a whole, the difference in the surface nature of AM–1 and A–300 affects: (i) the NaCl crystallite size distributions; (ii) melting/crystallization temperatures of NaCl; (iii) viscosity and torque vs. shear rate (strain); (iv) temperature and interfacial behaviors of water alone and NaCl solutions at 215 – 287 K; and (v) effects of dispersion media influencing bound water. Obtained results are of interest not only from a theoretical point of view but also from a practical one since both silicas are used as components of composites containing water and NaCl (or other salts) in various practical applications in medicine, agriculture, etc. У пористих середовищах ефект обмеженого простору (CSE) може впливати на температурну та міжфазну поведінку води та відповідних розчинів. Природа поверхні пористих або дисперсних твердих тіл може впливати на міжфазні явища, включаючи як CSE, так і кріоскопічні ефекти, викликані колігативними властивостями розчинів. Сильні зміни характеристик адсорбційних шарів зв'язаних рідин, особливо у вузьких порах або порожнечах між наночастинками, обумовлені зниженням активності розчинника. Тому представляє інтерес порівняння поведінки води та водних розчинів NaCl під впливом CSE гідрофільних та гідрофобних сорбентів. В цій роботі використано гідрофобний (АМ1) та гідрофільний (А–300) пірогенні кремнеземи (нанокремнеземи) як представникі високодисперсних сорбентів з різною природою поверхні, які характеризуються текстурною пористістю. Ця пористість спричинена порожнечами між непористими наночастинками (NPNP), що утворюють агрегати, агломерати агрегатів і видимі частинки (супра-NP структури) у порошках низької насипної щільності. Вихідні матеріали та відповідні оброблені системи із зв’язаною водою та NaCl/водою досліджували за допомогою методів: адсорбції азоту, мікроскопії, рентгенівської дифракції, інфрачервоної спектроскопії, термогравіметрії, реометрії, спектроскопії ядерного магнітного резонансу та квантової хімії. Воду, зв’язану з нанокремнеземом з NaCl або без нього, можна віднести до кількох типів: слабко (WBW, замерзає при 260 K < T < 273 K) і сильно (SBW, замерзає при T < 260 K) зв’язана вода; слабо (WAW, хімічний зсув dH = 0.5–2 м.ч.) і сильно (SAW, dH = 4 – 6 м.ч.) зв’язана вода. WAW не спостерігається для систем A–300. Крім того, в системах вода/NaCl є замерзла (нерухома) вода, яка характеризується затримкою танення (T > Tm) при 273 K < T < 287 K (метастабільна вода, MSW). Появу MSW можна пояснити вивільненням (з деякою кінетичною затримкою) води, захопленої кристалітами NaCl, розчиненими при T > Tm = 273.15 K, при збільшенні кількості рідкої води з підвищенням температури. Різницю в CSE у пустотах у гідрофобних і гідрофільних супра-NP структурах для зв’язаної воді можна пояснити поверхневими функціональними групами =Si(CH3)2, які посилюють кластеризацію води, зв’язаної з AM–1. В цілому різниця в природі поверхні AM–1 і A–300 впливає на: (i) розподіл кристалітів NaCl за розмірами; (ii) температуру плавлення/кристалізації NaCl; (iii) залежність в’язкості та крутного моменту від швидкості зсуву (деформації); (iv) температура та міжфазна поведінка води та розчинів NaCl при 215–287 К; та (v) вплив дисперсійних середовищ на зв’язану воду. Отримані результати представляють інтерес не тільки з теоретичної точки зору, а й з практичної, оскільки обидва кремнеземи використовуються як компоненти композитів, що містять воду та NaCl (або інші солі) у різноманітних практичних застосуваннях у медицині, сільському господарстві тощо. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2024-11-24 Article Article application/pdf https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/785 10.15407/Surface.2024.16.085 Surface; No. 16(31) (2024): Surface; 85-119 Поверхность; № 16(31) (2024): Поверхня; 85-119 Поверхня; № 16(31) (2024): Поверхня; 85-119 3154-8091 3154-8083 10.15407/Surface.2024.16 en https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/785/780 Авторське право (c) 2024 В.М. Гунько1, М.В. Борисенко, A.П. Головань, T.В. Kрупська, К. Вей, Дж. Женг, В. Янг, В.В. Туров |
| spellingShingle | гідрофобний пірогенний кремнезем гідрофільний пірогенний кремнезем концентровані розчини NaCl вода на межах поділу ефекти обмеженого простору кріоскопічні ефекти поведінка розчинів на межах поділу температурна поведінка Гунько, В.М. Борисенко, М.В. Головань, A.П. Kрупська, T.В. Вей, К. Женг, Дж. Янг, В. Туров, В.В. Взаємодія концентрованих розчинів NaCl з гідрофільним і гідрофобним пірогенними кремнеземами |
| title | Взаємодія концентрованих розчинів NaCl з гідрофільним і гідрофобним пірогенними кремнеземами |
| title_alt | Interaction of concentrated NaCl solutions with hydrophilic and hydrophobic fumed silicas |
| title_full | Взаємодія концентрованих розчинів NaCl з гідрофільним і гідрофобним пірогенними кремнеземами |
| title_fullStr | Взаємодія концентрованих розчинів NaCl з гідрофільним і гідрофобним пірогенними кремнеземами |
| title_full_unstemmed | Взаємодія концентрованих розчинів NaCl з гідрофільним і гідрофобним пірогенними кремнеземами |
| title_short | Взаємодія концентрованих розчинів NaCl з гідрофільним і гідрофобним пірогенними кремнеземами |
| title_sort | взаємодія концентрованих розчинів nacl з гідрофільним і гідрофобним пірогенними кремнеземами |
| topic | гідрофобний пірогенний кремнезем гідрофільний пірогенний кремнезем концентровані розчини NaCl вода на межах поділу ефекти обмеженого простору кріоскопічні ефекти поведінка розчинів на межах поділу температурна поведінка |
| topic_facet | hydrophobic fumed silica hydrophilic fumed silica concentrated NaCl solution interfacial water confined space effects cryoscopic effects interfacial solution behavior temperature behavior гідрофобний пірогенний кремнезем гідрофільний пірогенний кремнезем концентровані розчини NaCl вода на межах поділу ефекти обмеженого простору кріоскопічні ефекти поведінка розчинів на межах поділу температурна поведінка |
| url | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/785 |
| work_keys_str_mv | AT gunʹkovm interactionofconcentratednaclsolutionswithhydrophilicandhydrophobicfumedsilicas AT borisenkomv interactionofconcentratednaclsolutionswithhydrophilicandhydrophobicfumedsilicas AT golovanʹap interactionofconcentratednaclsolutionswithhydrophilicandhydrophobicfumedsilicas AT krupsʹkatv interactionofconcentratednaclsolutionswithhydrophilicandhydrophobicfumedsilicas AT vejk interactionofconcentratednaclsolutionswithhydrophilicandhydrophobicfumedsilicas AT žengdž interactionofconcentratednaclsolutionswithhydrophilicandhydrophobicfumedsilicas AT ângv interactionofconcentratednaclsolutionswithhydrophilicandhydrophobicfumedsilicas AT turovvv interactionofconcentratednaclsolutionswithhydrophilicandhydrophobicfumedsilicas AT gunʹkovm vzaêmodíâkoncentrovanihrozčinívnaclzgídrofílʹnimígídrofobnimpírogennimikremnezemami AT borisenkomv vzaêmodíâkoncentrovanihrozčinívnaclzgídrofílʹnimígídrofobnimpírogennimikremnezemami AT golovanʹap vzaêmodíâkoncentrovanihrozčinívnaclzgídrofílʹnimígídrofobnimpírogennimikremnezemami AT krupsʹkatv vzaêmodíâkoncentrovanihrozčinívnaclzgídrofílʹnimígídrofobnimpírogennimikremnezemami AT vejk vzaêmodíâkoncentrovanihrozčinívnaclzgídrofílʹnimígídrofobnimpírogennimikremnezemami AT žengdž vzaêmodíâkoncentrovanihrozčinívnaclzgídrofílʹnimígídrofobnimpírogennimikremnezemami AT ângv vzaêmodíâkoncentrovanihrozčinívnaclzgídrofílʹnimígídrofobnimpírogennimikremnezemami AT turovvv vzaêmodíâkoncentrovanihrozčinívnaclzgídrofílʹnimígídrofobnimpírogennimikremnezemami |