ИК-СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ОБРАБОТКИ МОНТМОРИЛЛОНИТОВОГО НАПОЛНИТЕЛЯ НА СОРБЦИЮ ФОРМАЛЬДЕГИДА ИЗ КЛЕЕВОЙ КОМПОЗИЦИИ

IR-SPECTROSCOPIC STUDIES OF THE EFFECT OF TREATMENT OF MONTMORILLONITE FILLER ON THE FORMALDEHYDE SORPTION FROM THE ADHESIVE COMPOSITION

кандидат химических наук, доцент кафедры химии Ходосова Н.А.1

доктор технических наук, профессор кафедры химии Бельчинская Л.И.1

кандидат химических наук, доцент кафедры физики Воищева О.В.2 профессор факультета экологической науки Университета Ка’Фоскари Маркомини А.3 1 - ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»

2 - ГОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет

им. Петра I»

3 - Университет Ка ’Фоскари, (Италия)

Khodosova N.A.,1 Belchinskaya L.I.1, Voischeva O.V.2, Markomini A.3

  • 1 - FSBEIHPE «Voronezh State Academy of Forestry and Technologies»
  • 2 - FSBEI HPE «Voronezh State Agricultural University. Peter I»
  • 3 - University Ca'Foscari, (Italy) Этот адрес e-mail защищен от спам-ботов. Чтобы увидеть его, у Вас должен быть включен Java-Script , Этот адрес e-mail защищен от спам-ботов. Чтобы увидеть его, у Вас должен быть включен Java-Script

DOI: 10 Л2737/3036

Abstract. The influence of different types of montmorillonite’ pre-treatment on the possible mechanism of interaction of the sorbent with the free formaldehyde in urea-formaldehyde resin was investigated.

Keywords: montmorillonite, IR-spectroscopy, sorption, formaldehyde, thermal treatment, pulse magnetic field.

В настоящее время проблема загрязнения воздуха различного типа помещений является актуальной и серьезной проблемой, требующей безотлагательного решения. По данным специалистов Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) воздух в помещениях загрязнен в большей степени, чем на улице. Он содержит патогенные микробы и вирусы, различные грибки и вредные химические вещества, выделяемые современными строительными и отделочными материалами. Большинство мебельных изделий и предметов интерьера, используемых человеком, получено с использованием карбамидоформальдегидных смол и клеев на их основе. Недостатком карбамидоформальдегидных клеевых композиций является наличие свободного формальдегида, содержание которого повышается в результате термической и гидролитической неустойчивости смолы. Формальдегид обладает высокой токсичностью, раздражающе воздействует на слизистые оболочки глаз, носа и верхних дыхательных путей, нервную систему [1, 2]. Согласно медицинской статистике, содержание формальдегида в воздухе вызывает снижение иммунитета, мутагенное, эмбриотоксическое и канцерогенное действие. В то время как благоприятная экологическая обстановка в жилых помещениях обеспечивает сохранение здоровья населения, поэтому к экологической обстановке в жилых помещениях предъявляют жесткие требования. Согласно Санитарно - эпидемиологическим требованиям к жилым зданиям и помещениям СанПин 2.1.2.1002-00 от 01.07. 2001 среднесуточная ПДК формальдегида составляет 0,01 мг/м3. Содержание формальдегида обуславливает токсичность клеев и древесных композиционных материалов на их основе. Снизить выделение формальдегида из клея в рабочую зону, атмосферу, жилые помещения можно изменив рецептуру клея, например, используя наполнитель, обладающий хорошими сорбционными свойствами и имеющий невысокую стоимость. Этим условиям отвечают природные минеральные сорбенты, специфика сорбции которых обусловлена кристаллохимической структурой.

Глинистый минерал монтмориллонит является представителем слоистых силикатов с расширяющейся структурной ячейкой. Строение минерала таково, что в процессе сорбции происходит увеличение межплоскостного пространства, следствием этого является значительное количество поглощенного вещества. Строение слоистых силикатов определяется чередованием тетраэдрической кислородной и октаэдрической А1-, Fe- или Mg-кис л ородно-гидроксильными сетками. В слоистых силикатах типа 2:1, к которым относится монтмориллонит, одна двумерная сетка кремнекислородных тетраэдров сочленяется с двумерной сеткой Ме3+ или Ме2+-октаэдров. На поверхности слоистых глинистых минералов количество положительно заряженных центров значительно меньше общего отрицательного заряда. [3]. Основными активными центрами монтмориллонита являются обменные катионы, гидроксильные группы, а также координационно-ненасыщенные ионы Al3+, Mg2+, Fe3+ [4].

Для повышения адсорбционной способности предлагаются различные методы активации и модифицирования монтмориллонита - термический [5,6,7], химический [8,9] и комбинированный [10,11].

Сущность термического модифицирования природных минеральных сорбентов заключается в их нагревании при определенном времени и температуре. При термической обработке глинистых минералов в результате дегидратации и дегидроксилирования изменяется химическая природа поверхности, то есть концентрация поверхностных гидроксилов [12, 13], и связанная с ней поверхностная кислотность [14, 15], количество сорбционных центров увеличивается. В слоистых минералах с расширяющейся решеткой, к которым относится монтмориллонит, потеря межслоевой воды сопровождается уменьшением размеров ячейки [16]. Процесс дегидратации монтмориллонитового минерала зависит от природы обменного катиона [17,18,19]. В адсорбции полярных веществ кроме поверхностных и межслоевых обменных катионов могут участвовать и другие активные адсорбционные центры - поверхностные гидроксильные группы, поверхностные кислородные атомы, а также молекулы воды, остающиеся на поверхности монтмориллонита после дегидратации [20].

О влиянии электромагнитных воздействий на адсорбционные процессы публикации практически отсутствуют, за исключением сотрудников нашей кафедры [21,22]. О механизмах подобных воздействий выдвигаются лишь предположения [23], которые основываются на том, что адсорбция происходит за счет электростатического или дисперсионного взаимодействия между молекулами адсорбата и активными центрами сорбента. На поверхности сорбента содержатся функциональные группы, обладающие зарядом, а сорбаты имеют собственные электрические и магнитные параметры. Поэтому можно предположить, что эффект воздействия накладываемого внешнего электромагнитного поля на сорбционные процессы может оказаться весьма значительно.

В работе исследовано влияние различных видов предварительной обработки сорбента на возможный механизм взаимодействия монтмориллонита со свободным формальдегидом в карбамидоформальдегидной смоле. Используемый в работе минерал состоит на 95 % из породообразующего структурного компонента монтмориллонита.

Для активирования сорбционных процессов образцы монтмориллонита подвергали трем видам различной предварительной обработки:

  • 1. термообработка осуществлялась при температуре 453 К в течении 1 часа;
  • 2. обработка в импульсном магнитном поле (ИМП) с индукцией 0,011 Тл в течение 30 сек;
  • 3. комплексное воздействие импульсного магнитного поля с магнитной индукцией 0,011 Тл и термообработки при 453 К через 48 часов.

В карбамидоформальдегидную смолу вводили 2 % отвердителя NH4C1 и 2 % (от массы смолы) предварительно обработанного сорбента.

ИК-спектры КФ смолы без сорбента, с необработанным сорбентом и с предварительно обработанным сорбентом представлены на рисунке.

ИК-спектры карбамидоформальдегидной смолы

Рисунок - ИК-спектры карбамидоформальдегидной смолы

В области валентных колебаний ОН групп (3600 - 3000 см'1) для образца 3 при обработке ИМП отмечается смещение полосы поглощения в низкочастотную область в сравнении с исходным образцом 1 на 127 см’1, что свидетельствует об усилении водородных связей всех ОН групп, участвующих в этих взаимодействиях за счет ориентации связей и групп под действием ИМП. Такая ориентация взаимодействующих атомов укорачивает расстояния между структурными элементами, что усиливает эти взаимодействия.

При термообработке (образец 4) максимум полосы практически не изменяется, но происходит уширение полосы поглощения за счет возникновения новых валентных связей -СО, - ОН групп в структуре: межслоевых пространствах, каркасе монтмориллонита.

Для образца 3 в области валентных и деформационных колебаний 5 N-H, Us С = О, os С = С связей, деформационных колебаний связанной валентной связью ОН групп (1700 - 1500 см'1) надо отметить две особенности: 1) полоса поглощения 1721 см'1 претерпевает смещение до 1649 см'1; 2) рядом появляется низкочастотная полоса при 1558 см'1, отсутствующая в исходном образце 1, но возникающая при добавлении в полимерную матрицу смолы - монтмориллонита.

В области валентных колебаний С - О, Si - О связей (1000 - 1100 см'1) наблюдается резкое возрастание интенсивности полосы поглощения 1151 см'1 в сравнении с исходным образцом (1206 см'1), то есть смещение полосы на 55 см’1 в низкочастотную область. Поскольку этот факт характерен для всех образцов (2, 3, 4, 5) с добавкой монтмориллонита, то можно считать, что эта полоса поглощения возникает за счет валентных колебаний Si - О связи. Возможно также наложение поглощения за счет колебаний С -О связей полимерной матрицы.

Анализируя ИК-спектры образцов карбамидоформальдегидной смолы с от- вердителем и при добавлении монтмориллонита, предварительно обработанного термо-, в ИМП и совместно (ИМП + т/о), очевидно, что в последнем варианте в более значительной степени усиливается процесс сорбции за счет оптимизации расположения атомов, участвующих в межмолекулярных взаимодействиях под влиянием импульсного магнитного поля.

Исследования выполнены при поддержке проекта ECONANOSORB в рамках 7-ой Рамочной программы Европейского Союза, Акции Мари Кюри, FP7-PEOPLE-IRSES-295260.

Библиографический список

  • 1. Уокер, Дж.Ф. Формальдегид / Дж. Ф. Уокер - М.: Гос. научно-техн. изд. химической литературы. 1957. - 608 с.
  • 2. Перечень веществ, продуктов, производственных процессов, бытовых и природных факторов, канцерогенных для человека. ГН 1.1.029-98.- М.: Госкомсанэпидназор России, 1995. - 17 с.
  • 3. Смолеговский, А. М. Развитие представлений о структуре силикатов./ А.М. Смоле- говский - М.: Наука, 1979. - 231 с.
  • 4. Тарасевич Ю.И. Адсорбция на глинистых минералах / Тарасевич Ю.И., Овчаренко Ф.Д.- Киев.: Наукова думка, 1975.-350 с.
  • 5. Бельчинская, Л.И. Комплекс природозащитных технологических решений при использовании лаковых композиций и смол в деревообрабатывающей промышленности. - Дисс....докт. техн. наук., - Воронеж, 1996. - 534 с.
  • 6. Муминов, С.З. Регулировании поверхностных свойств монтмориллонита хемосорбцией органических соединений / С.З. Муминов, МД. Саидова в кн. Регулирование поверхностных свойств минеральных дисперсий - Ташкент. Фан, 1984. - С. 24.
  • 7. Тарасевич, Ю.И. Природные минеральные сорбенты и полусинтетические сорбционные материалы на их основе / Ю.И. Тарасевич // Российский химический журнал, 1995. - t.XXXIX.- №. 6. - С. 52.
  • 8. Акимова, М.К. Влияние кислотной и щелочной активации на сорбционно-структурные свойства глин: Автореферат дисс.. .канд. хим. наук.- Фрунзе. 1973. - 24 с.
  • 9. Бондаренко, А.В. Адсорбционные свойства активированного монтмориллонита: Дисс... канд. хим. наук. - Липецк, 2002. - 174 с.
  • 10. Сатаев, И.К. Структурно-сорбционные свойства келесского бентонита после его термической и кислотной активации / И.К. Сатаев, Э.А. Арипов, К.С. Ахмедов // Адсорбционные свойства некоторых природных и синтетических сорбентов. - Ташкент. Фан, 1969.
  • 11. Абдуллаев, Н.Е. Комбинированные способы активации природных минеральных сорбентов / Н.Е.Абдуллаев // Исследование адсорбционных процессов. - Ташкент: ФАН, 1979.-С. 239-254.
  • 12. Сабиров, З.С. Определение концентрации поверхностных гидроксилов природных минеральных сорбентов методом дейтерообмена / З.С. Сабиров, А.А. Агзамходжаев, Э.А. Арипов // Материалы третьей республиканской конференции молодых ученых СредАзНИ- ИНП. Ташкент, 1976. С. 75 - 76.
  • 13. Арипов, Э.А. Определение концентрации поверхностных гидроксилов природных минеральных сорбентов на основе их величин гидролитической кислотности / Э.А. Арипов, Н.Ф. Абдуллаев, Р.С. Гафуров //Узб. хим. журн. 1975. № 6. С. 18-19.
  • 14. Танабе, К. Твердые кислоты и основания. М.: Мир, 1973. 183 с.
  • 15. Арипов, Э.А., Влияние температурной активации монтмориллонита на кислотно-основные свойства по данным электронной спектроскопии адсорбированных молекул индикаторов / Э.А. Арипов, Э.Ш. Абляев, Н.Ф. Абдуллаев // Регулирование поверхностных свойств минеральных дисперсий. Ташкент: ФАН, 1984. С. 135-139.
  • 16. Norrish, К. Low-Angle X-ray diffraction studies of the swelling of montmorillonite and vermiculite / Norrish K., Rausell-Colom J.A.// Clays and Clay miner. 1963. Vol. 10. P. 123 - 149.
  • 17. Тарасевич, Ю.И. Влияние обменных ионов на кристаллическую структуру и сорбционные свойства термически обработанного монтмориллонита / Ю.И. Тарасевич, Ф.Д. Овчаренко // Иониты и ионный обмен. М.: Наука, 1966. С. 134-138.
  • 18. Плюсина, И.И. Инфракрасные спектры каолинита в области валентных и деформационных колебаний ОН-групп и воды / И.И. Плюсина, И.А. Грибина - М.: МГУ, 1970. Вып. 1. С. 25-41.
  • 19. Тарасевич, Ю.И. Исследование адсорбции паров воды на катионзамещенном монтмориллоните / Ю.И. Тарасевич, В.М. Балицкая, Ф.Д. Овчаренко // Коллоидн. журн. 1968. Т. 30. №6. С. 889-895.
  • 20. Barrer, R.M. Zeolites and clay minerals as sorbents and molecular sieves. London - New York - San Francisco: Acad. Press, 1978. 498 p.
  • 21. Бельчинская, Л. И. Адсорбция формальдегида на минеральных нанопористых сорбентах, обработанных импульсным магнитным полем / Бельчинская Л. И., Ходосова Н.А., Битюцкая Л.А. // Физикохимия поверхности и защитаматериагов.-2009.-Т.45.№2.-С218-221.
  • 22. Пат. RU № 2408422 С1. МПК B01J 20/12. Способ получения сорбента [Текст] : Л. И. Бельчинская, Л. А. Битюцкая, Н. А. Ходосова ; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия». - № 2009114648/05 ; заявл. 17.04.2009 ; опубл. 10.01.2011, Бюл. № 1.-4 с.
  • 23. Ченцов, М.С. Исследование влияния электрофизических воздействий на сорбци- онно-десорбционные процессы в газовой фазе / М.С. Ченцов - Дисс. канд. техн. наук. - Санкт-Петербург, 2002, 106 с.

УДК 674.815

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >