«Модификация силикатов органическими соединениями: способом осаждения в присутствии целлюлозы, полистиролом, полирезорцинформальдегидной смолой, политетрафторэтиленом, полианилином»

Силикаты являются самым многочисленным и распространенным среди всех природных минералов, на их долю приходится более 75 % земной коры и более 95% изверженных горных пород. Силикаты являются породообразующими минералами всех магматических горных пород и подавляющего большинства метаморфических горных пород. Многообразие силикатов связано в первую очередь со способностью атомов кремния соединяться между собой через атомы кислорода, образуя в зависимости от природы оксидов металлов и их соотношения с оксидом кремния кремнекислородные радикалы различного строения. Также многообразие силикатов связано с широким спектром химического состава: атомы кремня могут изоструктурно замещаться на атомы других элементов, в основном, в качестве заместителя выступают атомы алюминия, в меньшей степени на атомы германия, титана, железа, беррилия. Абсолютное большинство силикатных минералов является твердыми кристаллическими телами, и только незначительное количество минералов находится в аморфном состоянии (халцедон, опал, агат и др.) или в коллоидно-дисперсном состоянии: глины, цеолиты, палыгорскит и др. Кристиллические силикаты обладают способностью реализовывать различные структурные варианты при одинаковом химическом составе.

---

Выполним написание диссертации на заказ в Екатеринбурге в короткие сроки.

---

Вследствие разнообразия кристаллических структур и составов силикаты обладают различной совокупностью физических и химических свойств, что обуславливает широкий спектр их применения в различных областях: в качестве адсорбентов, наполнителей бумаги, красок на водной основе, стабилизаторов эмульсий, носителей лекарственных препаратов, селективных сорбентов для очистки сточных и промышленных вод, катализаторов или носителей катализаторов, а также для использования в качестве наполнителей для разработки полимер-неорганических композитов с новыми свойствами и т.д. Модификация природных силикатов позволяет изменять их свойства для расширения области их применения. Например, модифицированные силикаты обладают более высокой сорбционной способностью к ионам тяжелых металлов [1-3] и нефтепродуктам [4], что повышает эффективность очистки сточных и промышленных вод. Модификация поверхности слоистых силикатов с помощью различных реагентов, элементоорганических соединений, полимеров является одном из наиболее эффективных методов получения новых типов присадок к машинным маслам [5]. Дальнейшее изучение и разработка новых способов модификации силикатов для улучшений их характеристик для расширения спектра применения модифицированных силикатов является актуальным направлением исследований. Целью данной работы является изучение способов модификации силикатов различными способами, в том числе взаимодействием с органическими соединениями: способом осаждения в присутствии целлюлозы, полистиролом, политетрафторэтиленом, полианилином, полирезорцинформальдегидной смолой. Для решения данной цели были поставлены следующие задачи: 1. изучение способов модификации природных силикатов методами химической и физической активации, а также их комбинацией; 2. изучение модификации природных силикатов органическими соединениями; 3. использование модифицированных силикатов для создания композиционных материалов на основе полимеров; 4. анализ способа модификации природных силикатов в присутствии целлюлозы и характеристик получаемого модифицированного материала; 5. сравнительный анализ модификации природных силикатов в присутствии целлюлозы, полистиролом, политетрафторэтиленом, полианилином, полирезорцинформальдегидной смолой. Объектом исследования выступают соединения самого обширного класса минералов – силикаты, предметом исследования являются их способы модификации. В работы при анализе модифицированных силикатов использовались рентгенофлуоресцентная спектроскопия, рентгенофазовый анализ, ИК-спектроскопия, позитронно-аннигиляционнвя спектроскопии, растровая электронная микроскопия для определения характеристик синтезируемых материалов. Работа состоит из двух глав – литературного обзора и практической части. В первой главе приведена классификация силикатов по строению кристаллической решетки, приведен обзор литературных данных по известным способам модификации силикатов. Вторая глава посвящена анализу способа модификации природных силикатов в присутствии органических веществ и сравнению характеристик получаемых модифицированных материалов. По каждой главе сделаны краткие выводы. В заключении подведены итоги выполненной работы.

В ходе выполнения данной работы был изучен широкий класс природных материалов – силикаты. Изучены классификация и особенности строения кристаллической решетки, а также способы изменения свойств природных силикатов модификацией различными веществами Наиболее изученным и распространённым способом модификации силикатов является химическая активация растворами сильных неорганических кислот и щелочей. Также перспективным способом изменения свойств материалов является комбинация химических и физических методов активации, в частности сочетание кислотной или основной активации с термообработкой. В основном применяются сильные кислоты типа серной и соляной. Данные методы модификации направлены в основном на увеличение сорбционной способности природных силикатов путем увеличения площади их удельной поверхности, что особенно актуально при использовании силикатов в качестве сорбентов для очистки сточных и производственных вод от нефтепродуктов, ионов тяжелых металлов и т.д. Перспективным методом модификации природным силикатов является применение в качестве модификаторов органических веществ. Их многообразие позволяет расширить спектр исследований в данной области и получать материалы с различными свойствами: повышенная прочность, химическая стойкость, улучшение реологических и адгезионных свойств и т.д. Модифицированные силикаты являются также перспективными наполнителями для получения композитных материалов, они улучшают свойства полимеров, в которых диспергируются, тем самым придавая им уникальные свойства даже при низком содержании. В практической части работы был проанализирован способ модификации силикатов на примере глины Богдановского Сухоложского месторождения (Сибирь), в состав которой входит каолинит Al2H4Si2O9 (46%) и кварц SiO2 (54%). Метод заключался в модификации предварительно прокаленного каолинита соляной кислотой с последующим осаждением аммиаком в присутствии целлюлозы. Результаты исследования свойств модифицированного силиката были сравнены со свойствами силикатов, модифицированными в аналогичных условиях за исключением целлюлозы. По результатам исследований, выполненных с помощью современных методов анализа, таких как, рентгенофлуоресцентная спектроскопия, рентгенофазовый анализ, ИК-спектроскопия, позитронно-аннигиляционнвя спектроскопии, растровая электронная микроскопия, показано, что использование целлюлозы позволяется получить эффективный сорбент, обладающий более высокими сорбционными характеристиками по сравнению с кислотным методом модификации в аналогичных условиях. При этом замена целлюлозы на ПТФЭ, ПРФС, полистирол и полианилин приводит к снижению эффективности модификации силикатов до уровня характеристик, присущих силикату, модифицированному в условиях кислотно-термической активаци.

1. Помазкина, О. И. Применение модифицированных алюмосиликатов при обезвреживании сточных вод / О. И. Помазкина // Теоретические и практические вопросы интеграции химической науки, технологии и образования. – 2016. – С. 154-156 [Электронный ресурс] // Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Восточно-сибирский государственный университет технологий и управления. – URL: https://esstu.ru/library/free/Konf/Chemistry_2016/29_Помазкина_ОИ.pdf (дата обращения 12.03.2023). 2. Пимнева, Л. А. Модифицированные формы каолинита для извлечения ионов меди из природных и сточных вод / Л. А. Пимнева, О. В. Андреев // Журнал Фундаментальные исследования. – 2018. – № 5 – С. 13-17 [Электронный ресурс] // Научный журнал Фундаментальные исследования. – URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=42135 (дата обращения 12.03.2023). 3. Степанов, С. В. Доочистка сточных вод от ионов тяжелых металлов новым сорбентом на основе модифицированных глин / С. В. Степанов, О. Н. Панфилова, К. К. Абдугаффарова // Водоснабжение и санитарная техника. – 2018. – № 1. – С. 46-50 4. Меркушина, К. В. Применение модифицированной бентонитовой глины для удаления нефтепродуктов из сточной воды / К. В. Меркушина, А. И. Родионов // Успехи в химии и химической технологии. – 2009. – №10 (103). – С. 88-91 [Электронный ресурс] // КиберЛенинка – научная электронная библиотека. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/primenenie-modifitsirovannoy-bentonitovoy-gliny-dlya-udaleniya-nefteproduktov-iz-stochnoy-vody (дата обращения: 16.03.2023). 5. Шапкин, Н. П. Исследование природного каолинита и его модифицированных форм / Н. П. Шапкин , В. И. Разов, В. И. Майоров, И. Г. Хальченко, А. Л. Шкуратов, В. В. Короченцев. – Журнал неорганической химии. – 2016. – Т. 61. – № 11. – С. 1519-1528. 6. Ананьева, Л. Г. Минералогия. Класс силикатов: учебное пособие / Л. Г. Ананьева; Национальный исследовательский Томский политехнический университет. − Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. – 77 с. 7. Артамонова, О. В. Химия твердого тела: учеб. пособие / О.В. Артамонова. – Воронеж: Воронежский ГАСУ, 2015. – 168 с. 8. Евстропьев, К. С. Химия кремния и физическая химия силикатов / К. С. Евстропьев, Н. А. Торопов. – М.: Книга по Требованию, 2013. – 366 с. 9. Бутт, Ю. М. Общая технология силикатов: учебник для техникумов / Ю. М. Бутт, Г. Н. Дудеров, М. А. Матвеев. – Москва: Промстройиздат, 1950. – 592 с. 10. Сироткина, Е. Е. Материалы для адсорбционной очистки воды от нефти и нефтепродуктов / Е. Е. Сироткина, Л. Ю. Новоселова // Химия в интересах устойчивого развития. – 2005. – №13. – С. 359-377. 11. Лыгина, Т.З. Технологии химической активации неорганических природных минеральных сорбентов: монография / Т.З. Лыгина, О.А. Михайлова, А.И. Хацринов, Т.П. Конюхова. – Казань: Казанский университет, 2009. – 120 с. 12. Jiang, M. Removal of Pb(II) frоm aqueous solution using modified and unmodified kaolinite clay / M. Jiang, Q. Wang, X. Jin, Z. Chen // J. Hazard. Matter. – 2009. – V. 170. – Р. 332–339. 13. Шапкин, Н. П. Химическая модификация природной глины / Н. П. Шапкин, Л. Б. Леонтьев, И. Г. Хальченко, А. Е. Панасенко, В. Ю. Майоров, В. И. Разов, Т. А. Кайдалова, Е. К. Папынов. – Журнал неорганической химии. – 2017. –Т. 62. – № 9. –С. 1217-1223. 14. Шапкин, Н. П. Гибридные композиционные материалы на основе природных слоистых силикатов / Н. П. Шапкин, И. Г. Хальченко, А. Е. Панасенко, Л. Б. Леонтьев, В. И. Разов. – Неорганические материалы. – 2018. – Т. 54. – № 9. – С.1020-1024. 15. Шапкин, Н. П. Синтез и свойства магнитных композитов на основе феррита кобальта, вермикулита и рисовой шелухи / Н. П. Шапкинa, А. Е. Панасенко, И. Г. Хальченкоa, В. С. Печниковa, В. Ю. Майоров, Н. В. Маслова, В. И. Разовa, Е. К. Папынов. – Журнал неорганической химии. – 2020. –Т. 65. – № 10. –С. 1416-1425. 16. Бельчинская, Л. И. Изучение структурных и адсорбционных характеристик при активации и модификации природных силикатов / Л. И. Бельчинская, К. А. Козлов // Сорбционные и хроматографические процессы. – 2007. – Т.7. – Вып. 4. – С. 571-576. 17. Тугушев, Р.Э. Способ получения сорбента / Р.Э. Тугушев, А.Р. Тугушева // Патент РФ № 2241536. – 10.12.2004. 18. Мдивнишвили, О.М. Кристаллические основы регулирования свойств природных сорбентов. / О.М. Мдивнишвили. – Тбилиси: «Мецниереба», 1983. – 150 с. 19. Очистка воды электролизом на цеолите / Е.А. Сухотина, М.В. Бузаева, Ф.Ф. Халиуллин и др. // Естественные и технические науки. – 2010. – № 6. – С. 622-623. 20. Тарасова, Г. И. Очистка нефтесодержащих сточных вод с помощью органоглины [Электронный ресурс] // Цифровой репозиторий ХНУГХ им.А.Н.Бекетова – URL: https://eprints.kname.edu.ua/31399/1/69.pdf (дата обращения: 16.03.2023). 21. Похидько, Б.В. Адсорбция хлоридов алкилдиметилтензиламония и дистеарилдиметиламмония слоистыми силикатами различных месторождений и некоторые свойства органобентонитов / Б.В. Покидько, И.А. Туторский, В.В. Битт // Коллоидный журнал. – 2009. – Т. 71, № 6. – С. 1-15. 22. Шапкин, Н. П. Органосиликатные антифрикционные композиты на основе вермикулита для формирования покрытий на поверхностях трения стальных деталей / Н. П. Шапкин, Л. Б. Леонтьев, В. Н. Макаров, И. Г. Хальченко, В. В. Короченцев, А. Л. Шкуратов. – Журнал прикладной химии. – 2014. –Т. 87. – Вып. 12. – С. 1727-1734. 23. Иващенко Ю. Г. Применение модификаторов на основе соединений акриловой и стирольной групп для повышения технологических и эксплуатационных показателей строительных материалов на основе жидкого стекла/ Ю. Г. Иващенко, А. А. Сурнин, И. Л. Павлова // Композиционные строительные материалы, теория и практика: Тез. докл./ ПГАСА. – Пенза, 2000. – С. 96-98. 24. Разговоров, П. Б. Модифицирование водорастворимых силикатов введением органических соединений / П. Б. Разговоров // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. – 2013. – №11. [Электронный ресурс] // КиберЛенинка – научная электронная библиотека. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/modifitsirovanie-vodorastvorimyh-silikatov-vvedeniem-organicheskih-soedineniy (дата обращения: 16.03.2023). 25. Лазарева, Н. Н. Разработка триботехнических материалов на основе политетрафторэтилена и механоактивированных слоистых силикатов: автореф. дисс. … канд. тенх. наук: 05.17.06. – Якутск, 2019. – 20 с. 26. Леонтьев, Л. Б. Перспективные органо-неорганические материалы для упрочнения поверхностей трения стальных деталей / Л. Б. Леонтьев, Н. П. Шапкин, В. Н. Макаров // инновационные технологии в машиностроении: сборник статей Международной научно- технической конференции (25 марта 2016 г., г. Владивосток). – Владивосток: ДВЦИТ, 2016. – С. 11-17. 27. Семаков, А. В. Анизотропные электропроводящие полимер-силикатные композиции на основе полианилина / А. В. Семаков, А. А. Шабеко, С. Г. Киселева, А. В. Орлов, А. В. Ребров, Ю. М. Королев, Г. П. Карпачева, В. Н. Кулезнев, В. Г. Куличихин // Высокомолекулярные соединения, Серия Б. – 2010. – Т. 52. – № 2. – С. 341-350 [Электронный ресурс] // НАУКÁРУС. – URL: https://naukarus.com/anizotropnye-elektroprovodyaschie-polimer-silikatnye-kompozitsii-na-osnove-polianilina (дата обращения: 16.03.2023).