Сорбція бензену з водних розчинів аеросилогелем з хімічно закріпленими β-циклодекстриновими групами
Анотація
Бензен та його похідні, які належать до високотоксичних органічних речовин, мають гідрофобні властивості та, напевно, будуть вилучатись з водних середовищ сорбентами, на поверхні яких присутні гідрофобні ліганди, наприклад, циклодекстринів. Їхні молекули мають унікальну структуру тора з широким і вузьким отворами, на яких розміщені вторинні та первинні гідроксильні групи, відповідно і характеризуються гідрофобною внутрішньою порожниною і гідрофільними властивостями поверхні тора. Завдяки гідрофобній порожнині ці молекули здатні формувати комплекси включення типу “хазяїн – гість” за допомогою неспецифічних взаємодій (ван-дер-ваальсових сил, водневих зв’язків та гідрофобних взаємодій) з багатьма органічними молекулами, що мають відповідний тору розмір. Метою роботи є визначення сорбційної здатності вихідного та модифікованих амінопропільними та β-циклодекстриновими функціональними групами аеросилогелів щодо бензену з водних розчинів. Методом спектрофотометрії вивчено сорбцію малих концентрацій бензену із водних розчинів аеросилогелями з силанольними, прищепленими амінопропільними та поверхневими β-циклодекстринвмісними групами в залежності від тривалості контакту і рівноважної концентрації. Продемонстровано, що всі закріплені на поверхні аеросилогелю β-циклодекстринові групи беруть участь у сорбції бензену і, можливо, утворюють з молекулами бензену поверхневі комплекси типу “хазяїн – гість”. Одержані результати проаналізовано за допомогою кінетичних моделей для процесів псевдопершого та псевдодругого порядку. Встановлено кінетичні параметри сорбції бензену аеросилогелем з прищепленими β-циклодекстриновими групами. Показано, що сорбційні кінетичні процеси добре описуються рівнянням псевдопершого порядку. На підставі розрахунків параметрів рівноважної сорбції в рамках моделей Ленгмюра і Фрейндліха доведено, що експериментальні результати рівноважної сорбції бензену на
β-циклодекстринвмісному аеросилогелі добре узгоджуються з рівнянням адсорбції Ленгмюра, що доводить визначальний внесок прищеплених β-циклодекстринових груп в сорбцію бензену. Продемонстровано, що введення β-циклодекстринових груп у поверхневий шар аеросилогелю значно збільшує його селективність та буде сприяти підвищенню спорідненості щодо бензену та його похідних.
Посилання
1. Johan A., van Leeuwen, Gerritse J., Hartog N., Ertl S., Parsons J. R., Hassanizadeh S. M. Anaerobic degradation of benzene and other aromatic hydrocarbons in a tar-derived plume: Nitrate versus iron reducing conditions // J. Contam. Hydrol. 2022. 248: 104006. https://doi.org/10.1016/j.jconhyd.2022.104006
2. Abussaud B.A. Synthesis, characterization and application of carbon nanotubes decorated with zinc oxide nanoparticles for removal of benzene, toluene and p-xylene from aqueous solution // Sustainability. 2021. 13: 11716. https://doi.org/10.3390/su132111716
3. Zhu J., Song Y., Wang L., Zhang Z., Gao J., Tsang D. C. W., SikOk Y., Hou D. Green remediation of benzene contaminated groundwater using persulfate activated by biochar composite loaded with iron sulfide minerals // Chem. Engin. J. 2022. 429: 132292 https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132292
4. Coasne B., Alba-Simionesco C., Audonnet F. Dossen G.,Gubbins K.E. Adsorption and structure of benzene on silica surfaces and in nanopores // Langmuir. 2009. 25(18): 10648. https://doi.org/10.1021/la900984z
5. da Costa J. S., Bertizzolo E. G., Bianchini D., André R. Fajardo. Adsorption of benzene and toluene from aqueous solution using a composite hydrogel of alginate-grafted with mesoporous silica. // J. Hazard. Mat. 2021. 418: 126405. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.126405
6. Lin R., Liang Z., Yang C., Shi W., Cui F., Zhao Z. Selective and enhanced adsorption of the monosubstituted benzenes on the Fe-modified MCM-41: Contribution of the substituent groups // Chemosphere. 2019. 237: 124546. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2019.124546
7. Moura C. P., Vidal C. B., Barros A. L., Costa L.S., Vasconcellos L.C.G., Dias F.S., Nascimento R.F. Adsorption of BTX (benzene, toluene, o-xylene, and p-xylene) from aqueous solutions by modified periodic mesoporous organosilica // J. Colloid Interface Sci. 2011. 363(2): 626. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2011.07.054
8. Szejtli J. Introduction and general overview of cyclodextrin chemistry // Chem. Rev. 1998. 98(5): 1743. https://doi.org/10.1021/cr970022c
9. Nojavan S., Yazdanpanah M. Micro-solid phase extraction of benzene, toluene, ethylbenzene and xylenes from aqueous solutions using water-insoluble β-cyclodextrin polymer as sorbent // J. Chromatogr. A. 2017. 1525: 51. https://doi.org/10.1016/j.chroma.2017.10.027
10. Lyashenko D.Yu. β-Cyclodextrin-containing polymer material: synthesis and properties. Surface. 2014. 6(21): 56.
11. Belyakova L.A., Lyashenko D.Yu. Synthesis and sorption properties of β-cyclodextrin-containing aerosilogel. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2023. 14(1): 19. https://doi.org/10.15407/hftp14.01.019
12. Marhol M. Ion exchangers in analytical chemistry. Their properties and use in inorganic chemistry ( Prague. Academia, 1982).
13. Charykov A.K. Mathematical processing of chemical analysis results (Textbook for universities, Leningrad: Chemistry, 1984).
14. Knyazev B.A., Cherkassky V.S. Principles of experimental data processing. Electronic textbook and data processing program for beginners (Novosibirsk University, Novosibirsk, 1996).
15. Langmuir I. The adsorption of gases on plane surfaces of glass, mica and platinum // J. Am. Chem. Soc. 1918. 40: 1361. https://doi.org/10.1021/ja02242a004
16. Freundlich H., Heller W.J. The adsorption of cis- and trans-azobenzene // J. Am. Chem. Soc. 1939. 61: 2228. https://doi.org/10.1021/ja01877a071
17. Bulatov, M.I., Kalinkin, I.P. Practical guide to photometric methods of analysis (Leningrad: Chemistry, 1986).
18. Trofymchuk I.M., Lyashenko D.Yu., Belyakova L.A. Spectrophotometric study of interaction of β-cyclodextrin and benzene in aqueous solutions Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2009. (15): 87 [in Ukrainian].
- 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.
