1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Физика и химия стекла
  4. T. 48, № 6, 2022

Физика и химия стекла, 2022, T. 48, № 6, стр. 809-812

Влияние режима термообработки на морфологию частиц монтмориллонита

О. Ю. Голубева *

Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова РАН
199034 Санкт-Петербург, наб. Макарова, 2, Россия

* E-mail: olga_isc@mail.ru

Поступила в редакцию 03.08.22
После доработки 03.08.22
Принята к публикации 05.08.22

Полный текст (PDF)

Аннотация

Исследована морфология частиц алюмо-магниевого монтмориллонита различного химического состава, синтезированного в условиях ступенчатой гидротермальной термообработки гелей в диапазоне от 200 до 300°С. Проведено сравнение морфологий частиц, синтезированных в условиях статической и ступенчатой термообработки. Показана возможность получения частиц со сферической и губчатой морфологиями с различной пористостью, зависящими от условий термообработки и химического состава монтмориллонита.

Ключевые слова: монтмориллонит, гидротермальный синтез, морфология

Монтмориллонит – глинистый минерал, относящийся к подклассу слоистых силикатов, обладающий способностью к сильному набуханию и имеющий ярко выраженные сорбционные свойства [1, 2]. В условиях направленного гидротермального синтеза могут быть получены соединения со структурой монтмориллонита заданного химического состава и с определенными пористо-текстурными характеристиками. Так, ранее в работах [3, 4] была показана возможность синтеза алюмосиликатов со структурой монтмориллонита, отвечающих общей химической формуле Na2x(Al2(1 – x),Mg2x)Si4O10(OH)2.nH2O (0 < < x < 1), с различной степенью изоморфного замещения магния на алюминий в октаэдрических слоях. Монтмориллонит получали при температурах от 200 до 350°С, автогенном давлении от 20 до 70 МПа, продолжительности синтеза от 5 до 288 ч. Было установлено, что наибольшее влияние на кристаллизацию монтмориллонита оказывает температура и продолжительность синтеза. Размер частиц образцов в плоскости, перпендикулярной оси с, составлял 20 ± 3 нм и не зависел от условий синтеза и химического состава образцов. В зависимости от условий синтеза при статической термообработке исходных гелей были получены как деламинированные образцы в форме нанослоев, в ряде случаев закручивающиеся в трубки, так и образцы с пакетной структурой.

Исследование влияния условий синтеза слоистых силикатов со структурой каолинита показало возможность их получения с различной морфологией [5, 6]. Так, изменяя условия гидротермальной обработки исходных гелей, были получены образцы каолинита со сферической, трубчатой, пластинчатой и наногубчатой морфологиями. Образцы с различной морфологией значительно отличались по физико-химическим свойствам, сорбционной способности и биологической активности [5, 6].

Целью работы было изучить возможность получения монтмориллонита с различной морфологией частиц. Синтез проводили из высушенных гелей соответствующих составов. В качестве исследуемых образцов было выбрано 3 состава монтмориллонита, отвечающего химической формуле Na2x(Al2(1 – x),Mg2x)Si4O10(OH)2.nH2O, различающихся степенью замещения магния в октаэдрических слоях на алюминий: с x = 1 (Mg3Si4O10(OH)2⋅nH2O, аналог природного сапонита), x = 0.9 (Na1.8Al0.2Mg1.8Si4O10(OH)2.H2O) и x = 0.5 (Na1.0Al1.0Mg1.0Si4O10(OH)2.H2O)). Гидротермальную обработку гелей проводили в водной среде в стальных автоклавах с платиновыми тиглями с использованием ступенчатого режима термообработки: 200°C (24 ч)–250°С (24 ч)–300°С(24 ч).

На рис. 1 представлены рентгеновские дифрактограммы синтезированных образцов (рентгеновский дифрактометр D8-Advance, Bruker). Получены однофазные образцы со структурой монтмориллонита, о чем свидетельствует положение характерных пиков отражений hkl 19° (110), 28° (004), 35° (201), 60°–62° ((060) и (330)). Характер дифрактограмм свидетельствует об изменениях в структуре образцов по мере увеличения степени замещения атомов магния на алюминий и переходе диоктраэдрической структуры образцов (2θ = = 60.8, d = 1.48 Å, (060)) в триоктраэдрическую (2θ = 62.3, d = 1.52 Å, (330)).

Рис. 1.

Рентгеновские дифрактограммы образцов монтмориллонита, синтезированных в условиях ступенчатой термообработки: Mg3Si4O10(OH)2·nH2O (а), Na1.8Al0.2Mg1.8Si4O10(OH)2·H2O (б), Na1.0Al1.0Mg1.0Si4O10(OH)2·H2O (в).

На рис. 2 приведены результаты исследования морфологии синтезированных образцов методом сканирующей электронной микроскопии (Carl Zeiss Merlin instrument (Oberkochen, Germany)). Для сравнения представлены также электронные микрофотографии образцов, синтезированных в условиях статической термообработки гелей соответствующего состава при 350°С в течение трех суток. Из полученных результатов следует, что ступенчатая термообработка гелей, соответствующих составу сапонита Mg3Si4O10(OH)2⋅nH2O, приводит к формированию образца с закрытыми порами, что, скорее всего, скажется на сорбционной способности образца в сторону ее снижения. Ступенчатая термообработка геля, отвечающего составу Na1.8Al0.2Mg1.8Si4O10(OH)2⋅H2O, приводит к формированию как тонких слоев, так и сферических частиц. Возможность формирования сферических частиц для слоистых силикатов со структурой монтмориллонита описывается впервые. Для образцов, синтезированных из гелей составов Na1.0Al1.0Mg1.0Si4O10(OH)2⋅H2O в условиях ступенчатой термообработки характерно формирование губчатых структур с открытой пористостью. Такая же морфология характерна и для монтмориллонита этого же состава, полученного при статической термообработке. Такие структуры вероятнее всего будут обладать наибольшей сорбционной способностью.

Рис. 2.

Результаты исследования морфологии образцов методом СЭМ: образцы Mg3Si4O10(OH)2⋅nH2O, синтезированные в условиях статической и ступенчатой термообработки, соответственно (a, б), образцы Na1.8Al0.2Mg1.8Si4O10(OH)2⋅H2O, синтезированные в условиях статической и ступенчатой термообработки, соответственно (в, г), образцы Na1.0Al1.0Mg1.0Si4O10(OH)2⋅H2O, синтезированные в условиях статической и ступенчатой термообработки (д, е) соответственно.

Таким образом, результаты исследования влияния режима термообработки исходный гелей на морфологию формирующихся из них частиц монтмориллонита показали возможность получения частиц с различной морфологией. Морфология частиц определяется как режимом термообработки, так и химическим составом монтмориллонита.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 21-73-30019).

Список литературы

  1. Bergaya F., Lagaly G. Chapter 1. General Introduction: Clays, Clay Minerals, and Clay Science, Editor(s): Faïza Bergaya, Benny K.G. Theng, Gerhard Lagaly, Developments in Clay Science, Elsevier, Volume 1, 2006, P. 1–18.

  2. Везенцев А.И., Королькова С.В., Буханов В.Д. Текстурные характеристики и сорбционные свойства природной и магний-замещенной монтмориллонит содержащей глины // Научные ведомости. Серия естественные науки. 2010. №9 (80). Вып. 11. С. 119–123.

  3. Голубева О.Ю., Ульянова Н.Ю., Костырева Т.Г., Дроздова И.А., Мокеев М.В. Синтетические наноглины со структурой монтмориллонита: получение, структура и физико-химические свойства. // Физ. и хим. стекла. 2013. Т. 39. № 5. С. 753–763.

  4. Golubeva O.Yu. Effect of synthesis conditions on hydrothermal crystallization, textural characteristics and morphology of aluminum-magnesium montmorillonite // Microporous and Mesoporous Materials. 2016. V. 224. P. 271–276.

  5. Аликина Ю.А., Калашникова Т.А., Голубева О.Ю. Сорбционная способность алюмосиликатов группы каолинита различной морфологии // Физ. и хим. стекла. 2021. Т. 47. № 1. С. 54–64.

  6. Golubeva O.Yu., Alikina Yu.A., Khamova T.V., Vladimirova E.V., Shamova O.V. Aluminosilicate nanosponges: synthesis, properties, and application prospects // Inorg. Chem. 2021. V. 60. № 22. P. 17 008–17 018.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Физика и химия стекла

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал