Физика и химия стекла, 2021, T. 47, № 4, стр. 474-477

Гидросиликаты группы каолинита относятся к слоистым силикатам, характеризующимся двухэтажным строением, содержащим слои, сформированные октаэдрическими и тетраэдрическими сетками. Минералы группы каолинита интересны тем, что могут формировать различные морфологии. Известно, что галлуазит (Al₂Si₂O₅(OH)₄∙nH₂O) может образовывать до 10 различных морфологий – трубки, сферы, волокна, цилиндры и др. [1, 2]. Для каолинита Al₂Si₂O₅(OH)₄ наиболее характерна пластинчатая морфология, в некоторых случаях возможно образование сферических частиц [3]. Эти минералы, имея одинаковый химический состав, могут значительно отличаться по свойствам. Природные минералы представляют собой смесь частиц различной морфологии, что приводит к затруднениям, связанным с изучением свойств алюмосиликатов с определенной морфологией частиц.

В условиях направленного гидротермального синтеза были получены алюмосиликаты со сферической, пластинчатой и наногубчатой морфологиями частиц (рис. 1) [4]. Исследования сорбционной способности образцов по отношению к катионным и анионным красителям показали ее зависимость от морфологии образцов [5]. Исследование особенностей изменения ζ-потенциала поверхности образцов с различной морфологией представляет как научный, так и практический интерес с целью изучения корреляции сорбционной емкости образцов со свойствами их поверхности.

Рис. 1.

Микрофотографии: природный нанотрубчатый галлуазит (а), синтетический алюмосиликат со сферической морфологией частиц (б), синтетический алюмосиликат с пластинчатой морфологией частиц (в), синтетический алюмосиликат с губчатой морфологией частиц (г).

Данная работа является продолжением исследования свойств полученных ранее алюмосиликатов группы каолинита различной морфологии в гидротермальных условиях [4]. Определение ζ-потенциала дает возможность оценить сорбционное поведение сорбентов по отношению к адсорбатам различной природы.

Морфологию образцов исследовали методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Исследования методом СЭМ проводили с использованием прибора Carl Zeiss Merlin с полевым эмиссионным катодом, колонной электронной оптики GEMINI-II и безмасляной вакуумной системой. Используемые токи пучка – 2 нА, ускоряющее напряжение – 21 кВ. Порошки высаживались непосредственно на проводящий углеродный скотч без дополнительной обработки.

ζ-потенциал образцов определяли с использованием анализатора размеров частиц и ζ-потенциала NaniBrook 90 PlusZeta (Brookehaven Instruments Corporation, США). Предварительно готовили суспензию, диспергируя 50 мг образца в 20 мл деионизированной воды. Полученную суспензию подвергли ультразвуковой обработке низкой мощности (50 Вт) в течение 2 мин на ультразвуковом процессоре UP50H. Для приготовления суспензии использовали деионизированную воду, полученную из дистиллированной воды при помощи установки “Водолей” (НПП Химэлектроника), с удельной проводимостью не более 0.2 мк См/см.

Значения pH среды варьировали в диапазоне от 2 до 10, используя растворы HCl (“х. ч.”) и NaOH (50% водный раствор). Величину pH измеряли при помощи цифрового pH-метра МЕГЕОН PH 17206, точность измерений составляет ±0.1 pH.

На рис. 2 приведены результаты исследования зависимости ζ-потенциала от pH для синтетических алюмосиликатов группы каолинита различной морфологии, и их сравнение с образцом природного галлуазита с нанотрубчатой морфологией. Синтезированные образцы изменяют заряд поверхности с отрицательного на положительный по мере уменьшения значений pH среды от 10 до 2. Наиболее ярко данный эффект представлен в случае алюмосиликатов с губчатой морфологией частиц (ζ-потенциал меняется от –39.97 до 13.52 мВ). Природные нанотрубки галлуазита имеют отрицательный заряд поверхности на всем исследованном диапазоне pH, при этом отрицательный ζ‑потенциал поверхности в щелочной среде у образцов нанотрубок в два раза превышает отрицательный ζ-потенциал поверхности образцов со сферической и пластинчатой морфологиями. Это свидетельствует о высоком сорбционном потенциале частиц с данной морфологией в отношении положительно заряженных ионов в водных растворах с нейтральными и щелочными значениями pH.

Рис. 2.

Зависимость ζ-потенциала от pH среды для алюмосиликатов: 1 – природный нанотрубчатый галлуазит, 2 – синтетический алюмосиликат с губчатой морфологией частиц, 3 – синтетический алюмосиликат с пластинчатой морфологией частиц, 4 – синтетический алюмосиликат со сферической морфологией частиц.

Образцы с наногубчатой морфологией характеризуются значительными отрицательными значениями ζ-потенциала поверхности в щелочной среде (–40 мВ при pH 10) и высокими положительными его значениями в средах с низкими значениями pH (12 мВ при pH 2). Такое поведение ζ-потенциала поверхности частиц с данной морфологией позволяет сделать вывод о значительных перспективах использования частиц алюмосиликатов с наногубчатой морфологией в качестве универсальных сорбентов разно-заряженных ионов, и в качестве матриц лекарственных препаратов, существующих в водных растворах в форме анионов, и которые большинство алюмосиликатов, обычно имеющих отрицательный заряд поверхности [6–8], сорбируют не эффективно.

Приведенные результаты показывают перспективность применения синтетических алюмосиликатов c губчатой морфологией частиц в качестве сорбентов разно-заряженных ионов и лекарственных веществ.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 19-33-90089).