Взаємодія концентрованих розчинів NaCl з гідрофільним і гідрофобним пірогенними кремнеземами
Анотація
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.
Посилання
1. Ickes L., Welti A., Hoose C., Lohmann U. Classical nucleation theory of homogeneous freezing of water: thermodynamic and kinetic parameters. Phys. Chem. Chem. Phys. 2015. 17: 5514. https://doi.org/10.1039/C4CP04184D
2. Chaplin M. Water structure and science. http://www1.lsbu.ac.uk/water/, accessed on 14 September, 2024.
3. Mancinelli R., Botti A., Bruni F., Ricci M. A. Hydration of sodium, potassium, and chloride ions in solution and the concept of structure maker/breaker. J. Phys. Chem. B. 2007. 111: 13570. https://doi.org/10.1021/jp075913v
4. Sahle C.J., de Clermont Gallerande E., Niskanen J., Longo A., Elbers M., Schroer M.A., Sternemann C., Jahn S. Hydration in aqueous NaCl. Phys. Chem. Chem. Phys. 2022. 24: 16075. https://doi.org/10.1039/D2CP00162D
5. Shultz M.J., Gubbins E.F., Davies R.G., Lin Z., Xiong Z. Ice interfaces: vapor, liquid, and solutions. J. Phys. Chem. C. 2024. 128(30): 12326. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.4c02806
6. Zhou K., Qian C., Liu Y. Quantifying the structure of water and hydrated monovalent ions by density functional theory-based molecular dynamics. J. Phys. Chem. B. 2022. 126(49): 10471. https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.2c05330
7. Zhuang D., Riera M., Zhou R., Deary A., Paesani F. Hydration structure of Na+ and K+ ions in solution predicted by data-driven many-body potentials. J. Phys. Chem. B. 2022. 126(45): 9349. https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.2c05674
8. Ho T.H., Do T.H., Tong H.D., Meijer E.J., Trinh T.T. The role of chloride ion in the silicate condensation reaction from ab initio molecular dynamics simulations. J. Phys. Chem. B. 2023. 127(36): 7748. https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.3c04256
9. Luo P., Zhai Y., Senses E., Mamontov E., Xu G., Y Z, Faraone A. Influence of kosmotrope and chaotrope salts on water structural relaxation. J. Phys. Chem. Lett. 2020. 11(21): 8970. https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.0c02619
10. Bodnar R.J. Revised equation and table for determining the freezing point depression of H2O-NaCl solutions. Geochim. Cosmochim. Acta. 1993. 57: 683. https://doi.org/10.1016/0016-7037(93)90378-A
11. Conde M.M., Rovere M., Gallo P. Molecular dynamics simulations of freezing-point depression of TIP4P/2005 water in solution with NaCl. J. Mol. Liquids. 2018. 261: 513. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2018.03.126
12. Hewage S.A., Tang C.-S., Mehta Y., Zhu C. Investigating cracking behavior of saline clayey soil under cyclic freezing-thawing effects. Engineering Geology. 2023. 326: 107319. https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2023.107319
13. Ketcham S.A., Minsk L.D., Blackburn R.R., Fleege E.J. Manual of practice for an effective anti-icing program. A guide for highway winter maintenance personnel. (US Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory Corps of Engineers: Hanover, New Hampshire, 1996. https://www.fhwa.dot.gov/publications/research/safety/95202/ index. cfm.)
14. Gupta S., Pel L., Kopinga K. Crystallization behavior of NaCl droplet during repeated crystallization and dissolution cycles: An NMR study. J. Crystal Growth. 2014. 391: 64. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2014.01.016
15. Yamaguchi T., Fukuyama N., Yoshida K., Katayama Y. Ion solvation and water structure in an aqueous sodium chloride solution in the gigapascal pressure range. J. Phys. Chem. Lett. 2021. 12(1): 250. https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.0c03147
16. Otero L., Rodríguez A.C., Sanz P.D. Effect of the frequency of weak oscillating magnetic fields on supercooling and freezing kinetics of pure water and 0.9 % NaCl solutions. J. Food Eng. 2020. 273: 109822. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2019.109822
17. Otero L., Rodríguez A.C., Sanz P.D. Effects of static magnetic fields on supercooling and freezing kinetics of pure water and 0.9 % NaCl solutions. J. Food Eng. 2018. 217: 34. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2017.08.007
18. Javadi S., Røyne A. Adhesive forces between two cleaved calcite surfaces in NaCl solutions: The importance of ionic strength and normal loading. J. Colloid Interface Sci. 2018. 532: 605. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2018.08.027
19. Wu Y., Wang Y., Hu L. A theoretical model of the soil freezing characteristic curve for saline soil. J. Hydrology 2023. 622: 129639. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2023.129639
20. Tao Y., Yang P., Li L., Si X., Jin Y. Characterizing unfrozen water content of saline silty clay during freezing and thawing based on superposition of freezing point reduction. Cold Regions Sci. Technol. 2023. 213: 103933. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2023.103933
21. Luan H., Wu J., Geng F., Zhao X., Li Z. Freezing characteristics of deicing salt solution and influence on concrete salt frost deterioration. J. Adv. Concrete Technol. 2023. 21: 643. https://doi.org/10.3151/jact.21.643
22. Xiao Z., Lai Y., Zhang M. Study on the freezing temperature of saline soil. Acta Geotechnica. 2018. 13: 195. https://doi.org/10.1007/s11440-017-0537-1
23. Ming F., Chen L., Li D., Du C. Investigation into freezing point depression in soil caused by NaCl solution. Water. 2020. 12: 2232. https://doi.org/10.3390/w12082232
24. Zhao J., Gao X., Chen S., Lin H., Li Z., Lin X. Hydrophobic or superhydrophobic modification of cement-based materials: A systematic review. Composites Part B. 2022. 243: 110104. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.110104
25. Koniorczyk M., Bednarska D. Kinetics of water freezing from inorganic salt solution confined in mesopores. Thermochimica Acta. 2019. 682: 178434. https://doi.org/10.1016/j.tca.2019.178434
26. Sonoki Y., Pham Q.D., Sparr E. Beyond additivity: A mixture of glucose and NaCl can influence skin hydration more than the individual compounds. J. Colloid Interface Sci. 2022. 613: 554. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2021.12.166
27. Zhang X., Manica R., Tang Y., Liu Q., Xu Z. Bubbles with tunable mobility of surfaces in ethanol-NaCl aqueous solutions. J. Colloid Interface Sci. 2019. 556: 345. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2019.08.045
28. Sun K., Nguyen C.V., Nguyen N.N., Ma X., Nguyen A.V. Crucial roles of ion-specific effects in the flotation of water-soluble KCl and NaCl crystals with fatty acid salts. J. Colloid Interface Sci. 2023. 636: 413. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.01.038
29. Bozorgian A. An overview of methane gas hydrate formation. J. Eng. Indu. Res. 2021. 2(3): 166.
30. Aregbe A.G. Gas hydrate̵ properties, formation and benefits. Open J. Yangtze Oil and Gas. 2024. 9(3): 27.
31. Ahmadi G., Smith D.H. Numerical solution for natural gas porduction from methane hydrate dissociation. J. Petroleum Sci. & Engr. 2004. 41(4): 269. https://doi.org/10.1016/j.profnurs.2003.09.004
32. Giavarini C., Maccioni F. Self-preservation at low pressures of methane hydrates with various gas contents. Ind. Eng. Chem. Res. 2004. 43(20): 6616. https://doi.org/10.1021/ie040038a
33. Sloan E.D. Jr. Fundamental principles and applications of natural gas hydrates. Nature 2003. 426: 353. https://doi.org/10.1038/nature02135
34. Bouffaron P., Perrigault T. Methane hydrates, truths and perspectives. Intern. J. Energy, Information and Communications. 2013. 4(4): 23.
35. Wu G., Ji H., Tian L., Chen D. Effects of salt ions on the methane hydrate formation and dissociation in the clay pore water and bulk water. Energy & Fuels. 2018. 32(12): 12486. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.8b03486
36. Shen Y., Wei X., Wang Y., Shen Y., Li L., Huang Y., Ostrikov K.K., Q Sun C. Energy absorbancy and freezing-temperature tunability of NaCl solutions during ice formation. J. Mol. Liquid. 2021. 344: 117928. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2021.117928
37. Lamas C.P., Vega C., Noya E.G. Freezing point depression of salt aqueous solutions using the Madrid-2019 model. J. Chem. Phys. 2022. 156: 134503. https://doi.org/10.1063/5.0085051
38. Li D., Zeng D., Yin X., Han H., Guo L., Yao Y. Phase diagrams and thermochemical modeling of salt lake brine systems. II. NaCl + H2O, KCl + H2O, MgCl2 + H2O and CaCl2 + H2O systems. Calphad. 2016. 53: 78. https://doi.org/10.1016/j.calphad.2016.03.007
39. Yuan H., Sun K., Wang K., Zhang J., Zhang Z., Zhang L., Li S., Li Y. Ice crystal growth in the freezing desalination process of binary water-NaCl system. Desalination. 2020. 496: 114737. https://doi.org/10.1016/j.desal.2020.114737
40. Fumoto K., Sato T., Kawanami T., Inamura T., Shirota M. Ice slurry generator using freezing-point depression by pressurization - Case of low-concentration NaCl aqueous solution. Int. J. Refrigeration. 2013. 36: 795. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2013.01.001
41. Gun'ko V.M., Turov V.V. Nuclear Magnetic Resonance Studies of Interfacial Phenomena. (Boca Raton: CRC Press, 2013). https://doi.org/10.1201/b14202
42. Petrov O.V., Furó I. NMR cryoporometry: Principles, applications and potential. Prog. Nuclear Magn. Reson. Spectr. 2009. 54: 97. https://doi.org/10.1016/j.pnmrs.2008.06.001
43. Mitchell J., Webber J.B.W., Strange J.H. Nuclear magnetic resonance cryoporometry. Phys. Rep. 2008. 461: 1. https://doi.org/10.1016/j.physrep.2008.02.001
44. Kimmich R. NMR Tomography, Diffusometry, Relaxometry. (Heidelberg: Springer, 1997).
45. Gregg S.J., Sing K.S.W., Stoeckli H.F. (editors). Characterization of Porous Solids. (London: Soc. Chem. Industry, 1979).
46. Adamson A.W., Gast A.P. Physical Chemistry of Surface. Sixth edn. (New York: Wiley, 1997).
47. Gun'ko V.M. Textural characteristics of composite adsorbents analyzed with density functional theory and self-consistent regularization procedure. Chemistry, Physics and Technology of Surface. 2020. 11: 163. https://doi.org/10.15407/hftp11.02.163
48. Cullity B.D., Stock S.R. Elements of X-Ray Diffraction. Third Edition. (New York: Prentice-Hall Inc., 2001).
49. Guinier A. X-Ray Diffraction. (San Francisco: WH Freeman, 1963).
50. de Avillez R.R., Abrantes F.G., Letichevsky S. On the intrinsic limits of the convolution method to obtain the crystallite size distribution from nanopowders diffraction. Materials Research. 2018. 21(3): e20170980. https://doi.org/10.1590/1980-5373-mr-2017-0980
51. Popović S., Skoko Ž. X-ray diffraction broadening analysis. Macedonian J. Chem. Chem. Eng. 2015. 34: 39. https://doi.org/10.20450/mjcce.2015.642
52. Gun'ko V.M., Oranska O.I., Paientko V.V., Sulym I.Ya. Particulate morphology of nanostructured materials. Chem. Phys. Technol. Surf. 2020. 11(3): 368. https://doi.org/10.15407/hftp11.03.368
53. Provencher S.W. A constrained regularization method for inverting data represented by linear algebraic or integral equations. Comp. Phys. Comm. 1982. 27: 213. https://doi.org/10.1016/0010-4655(82)90173-4
54. Gun'ko V.M., Goncharuk E.V., Nechypor O.V., Pakhovchishin S.V., Turov V.V. Integral equation for calculation of distribution function of activation energy of shear viscosity. J. Colloid Interface Sci. 2006. 304: 239. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2006.08.029
55. Gun'ko V.M. Interfacial phenomena: effects of confined space and structure of adsorbents on the behavior of polar and nonpolar adsorbates at low temperatures. Current Phys. Chem. 2015. 5(2): 137. https://doi.org/10.2174/187794680502160111093413
56. Mallamace F., Corsaro C., Broccio M., Branca C., González-Segredo N., Spooren J., Chen S.-H., Stanley H.E. NMR evidence of a sharp change in a measure of local order in deeply supercooled confined water. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2008. 105: 12725. https://doi.org/10.1073/pnas.0805032105
57. Gun'ko V.M., Turov V.V., Krupska T.V., Borysenko M.V. Surroundings effects on the interfacial and temperature behaviors of NaOH/water bound to hydrophilic and hydrophobic nanosilicas. J. Colloid Interface Science. 2023. 634: 93. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2022.12.027
58. Frisch M.J., Trucks G.W., Schlegel H.B., Scuseria G.E., Robb M.A., Cheeseman J.R., Scalmani G., Barone V., Petersson G.A., Nakatsuji H., Li X., Caricato M., Marenich A.V., Bloino J., Janesko B.G., Gomperts R., Mennucci B., Hratchian H.P., Ortiz J.V., Izmaylov A.F., Sonnenberg J.L., Williams-Young D., Ding F., Lipparini F., Egidi F., Goings J., Peng B., Petrone A., Henderson T., Ranasinghe D., Zakrzewski V.G., Gao J., Rega N., Zheng G., Liang W., Hada M., Ehara M., Toyota K., Fukuda R., Hasegawa J., Ishida M., Nakajima T., Honda Y., Kitao O., Nakai H., Vreven T., Throssell K., Montgomery J.A. Jr., Peralta J.E., Ogliaro F., Bearpark M.J., Heyd J.J., Brothers E.N., Kudin K.N., Staroverov V.N., Keith T.A., Kobayashi R., Normand J., Raghavachari K., Rendell A.P., Burant J.C., Iyengar S.S., Tomasi J., Cossi M., Millam J.M., Klene M., Adamo C., Cammi R., Ochterski J.W., Martin R.L., Morokuma K., Farkas O., Foresman J.B., Fox D.J. Gaussian 16, Revision C.02, Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2019.
59. Barca G.M.J., Bertoni C., Carrington L., Datta D., De Silva N., Deustua J.E., Fedorov D.G., Gour J.R., Gunina A.O., Guidez E., Harville T., Irle S., Ivanic J., Kowalski K., Leang S.S., Li H., Li W., Lutz J.J., Magoulas I., Mato J., Mironov V., Nakata H., Pham B.Q., Piecuch P., Poole D., Pruitt S.R., Rendell A.P., Roskop L.B., Ruedenberg K. Recent developments in the general atomic and molecular electronic structure system. J. Chem. Phys. 2020. 152: 154102. https://doi.org/10.1063/5.0005188
60. Gordon M.S., Schmidt M.W. Advances in electronic structure theory: GAMESS a decade later, in Theory and Applications of Computational Chemistry: the first forty years, C.E. Dykstra, G. Frenking, K.S. Kim, G.E. Scuseria (Eds.) (Amsterdam: Elsevier, 2005, pp. 1167-1189). https://doi.org/10.1016/B978-044451719-7/50084-6
61. Rüger R., Franchini M., Trnka T., Yakovlev A., van Lenthe E., Philipsen P., van Vuren T., Klumpers B., Soini N. AMS 2024.102. SCM, Theoretical Chemistry. (Amsterdam: Vrije Universiteit, http://www.scm.com).
>62. Stewart J.J.P. MOPAC 2022.1.1. Stewart Computational Chemistry, web: HTTP://OpenMOPAC.net. Feb. 6, 2024.
63. Hourahine B., Aradi B., Blum V., Bonafé F., Buccheri A., Camacho C., Cevallos C., Deshaye M. Y., Dumitrică T., Dominguez A., Ehlert S., Elstner M., van der Heide T., Hermann J., Irle S., Kranz J. J., Köhler C., Kowalczyk T., Kubař T., Lee I. S., Lutsker V., Maurer R. J., Min S. K., Mitchell I., Negre C., Niehaus T. A., Niklasson A. M. N., Page A. J., Pecchia A., Penazzi G., Persson M. P., Řezáč J., Sánchez C. G., Sternberg M., Stöhr M., Stuckenberg F., Tkatchenko A., Yu V. W.-z., Frauenheim T. DFTB+, a software package for efficient approximate density functional theory based atomistic simulations. J. Chem. Phys. 2020. 152: 124101. https://doi.org/10.1063/1.5143190
64. Cui M., Reuter K., Margraf J.T. Obtaining robust density functional tight binding parameters for solids across the periodic table. ChemRxiv. 2024. https://doi.org/10.26434/chemrxiv-2024-d0cff
65. Marenich A.V., Cramer C.J., Truhlar D.G. Universal solvation model based on solute electron density and on a continuum model of the solvent defined by the bulk dielectric constant and atomic surface tensions. J. Phys. Chem. B 2009. 113: 6378. https://doi.org/10.1021/jp810292n
66. Pettersen E.F., Goddard T.D., Huang C.C., Meng E.C., Couch G.S., Croll T.I., Morris J.H., Ferrin T.E. UCSF ChimeraX: Structure visualization for researchers, educators, and developers. Protein Sci. 2021. 30(1): 70. https://doi.org/10.1002/pro.3943
67. Avogadro 2. https://two.avogadro.cc/. Ver. 1.99. 2024.
68. Zhurko G.A., Zhurko D.A. Chemcraft (version 1.8, build b726b). http://www.chemcraftprog.com.
>69. Jmol: an open-source Java viewer for chemical structures in 3D (Ver. 16.2.31). http://www.jmol.org/.
>70. Gun'ko V.M., Turov V.V., Pakhlov E.M., Krupska T.V., Charmas B. Effect of water content on the characteristics of hydro-compacted nanosilica. Appl. Surf. Sci. 2018. 459: 171. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.07.213
71. V.M. Gun'ko, V.V. Turov, E.M. Pakhlov, T.V. Krupska, M.V. Borysenko, M.T. Kartel, B. Charmas, Water interactions with hydrophobic versus hydrophilic nanosilica. Langmuir. 2018. 34(40): 12145 https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.8b03110
72. Turov V.V., Gun'ko V.M., Pakhlov E.M., Krupska T.V., Tsapko M.D., Charmas B., Kartel M.T. Influence of hydrophobic nanosilica and hydrophobic medium on water bound in hydrophilic components of complex systems. Colloid. Surf. A: Physicochem. Eng. Aspects. 2018. 552: 39. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2018.05.017
73. Gun'ko V.M., Turov V.V. Interfacial phenomena in nanostructured systems with various materials. ChemPhysChem. 2024. 25(6): e202300622. https://doi.org/10.1002/cphc.202300622
74. Gun'ko V.M., Turov V.V. Colligative properties of various liquid blends vs. temperature under confined space effects in pores of different adsorbents. Chemistry, Physics and Technology of Surface. 2024. 15(1): 3. https://doi.org/10.15407/hftp15.01.003
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи.
