Badania fizykochemicznych właściwości niemodyfikowanych i modyfikowanych nanoporowatych adsorbentów krzemionkowych

• Autorzy: Choma J. , Grajek H. , Burakiewicz-Mortka W. , Kloske M.

Warianty tytułu

EN

Physicochemical properties of unmodified and modified nanoporous siliceous materials

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Przewiduje się, że uporządkowane materiały krzemionkowe będą odgrywały w najbliższym czasie znaczącą rolę w procesach adsorpcji, separacji i katalizy. Dlatego badania zarówno niemodyfikowanych jak i modyfikowanych uporządkowanych materiałów krzemionkowych prowadzone są w licznych laboratoriach. W pracy przedstawiono sposoby otrzymywania niemodyfikowanych i modyfikowanych nanoporowatych materiałów krzemionkowych MCM-41, z zastosowaniem rzadko stosowanej metody hydrotermicznej, a także materiałów MCM-48, syntezowanych w temperaturze pokojowej, oraz wyniki badań tych materiałów za pomocą dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego (XRD), termograwimetrii (TG) oraz adsorpcji w warunkach statycznych takich adsorbatów, jak azot, argon i benzen. Szczególną uwagę poświęcono badaniom dynamicznym za pomocą inwersyjnej chromatografii gazowej z wykorzystaniem takich adsorbatów, jak n-pentan, n-heksan, n-heptan, n-oktan, metanol, etanol, benzen, cykloheksan, tetrahydrofuran, octan etylu, eter dietylowy i acetonitryl. Wykazano, że otrzymane materiały charakteryzowały się dobrze uporządkowaną strukturą mezoporowatą o dużej powierzchni właściwej i całkowitej objętości porów. Proces modyfikacji tych materiałów pozwolił na istotne zwiększenie zawartości grup merkaptopropylowych, aminopropylowych lub winylowych. Stwierdzono, że inwersyjna chromatografia gazowa, w której wykorzystuje się adsorbaty o różnej budowie cząsteczkowej, jest bardzo przydatna do charakterystyki niejednorodności powierzchniowej uporządkowanych materiałów krzemionkowych.

EN

It is expected that ordered siliceous materials will play a significant role in adsorption, separation and catalysis. Therefore, the study of both unmodified and modified ordered siliceous materials is carried out in many laboratories. The subject of the present paper covers the methods for the preparation of unmodified and modified nanoporous siliceous materials of MCM41 type (by applying a rarely used hydrothermal technique) and MCM48 type (synthesized at room temperature). The materials obtained were tested by X-ray diffraction spectroscopy (XRD), thermogravimetry (TG) and static adsorption, using nitrogen, argon and benzene as adsorbates. Special attention was paid to dynamic testing, viz., inverse gas chromatography involving n-pentane, n-hexane, n-heptane, n-octane, methanol, ethanol, benzene, cyclohexane, tetrahydrofurane, ethyl acetate, diethyl ether and acetonitrile. The synthesized materials were characterized by a well ordered mesoporous structure with a relatively high specific surface area and total micropore volume. The modification process applied accounted for a significant rise in the concentration of mercaptopropyl, aminopropyl and vinyl groups. Inverse gas chromatography was found to be a very useful method for the characterization of surface heterogeneity of ordered siliceous materials.

Słowa kluczowe

PL

uporządkowane materiały krzemionkowe; MCM-41; MCM-48; synteza; modyfikacja; adsorbcja; właściwości fizykochemiczne

EN

Ordered siliceous materials; synthesis; modification; adsorption; physicochemical properties

• Wydawca: Polskie Zrzeszenie Inżynierów i Techników Sanitarnych, Oddział Dolnośląski
• Czasopismo: Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2006
• Tom: R. 28, nr 2
• Strony: 3--22
• Opis fizyczny: Bibliogr. 44 poz.

Twórcy

autor

Choma J.

autor

Grajek H.

autor

Burakiewicz-Mortka W.

autor

Kloske M.

• Wojskowa Akademia Techniczna, Instytut Chemii, ul. S.Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa,

Bibliografia

• 1. U. CIESLA, F. SCHOTH: Ordered mesoporous materials. Micropor. Mesopor. Mater., 1999, Vol. 27, pp. 131-149.
• 2. M. KRUK, M. JARONIEC: Gas adsorption characterization of ordered organic-inorganie nanocomposite materials. Chem. Mater., 2001, Vol. 13, pp. 3169-3183.
• 3. I. NOWAK, M. ZIÓŁEK: Mezoporowate sita molekularne - synteza, charakterystyka, właściwości fizykochemiczne i katalityczne. Biblioteka Wiad. Chem., 2001, ss. 5-88.
• 4. J. CHOMA, M. JARONIEC: Właściwości adsorpcyjne uporządkowanych mezoporowatych adsorbentów krzemionkowych. Biblioteka Wiad. Chem., 2001, ss. 89-137.
• 5. C.T. KRESGE, M.E. LEONOWICZ, WJ. ROTH, lC. VARTULLI, J.S. BECK: Ordered mesoporous molecu1ar sieves synthesized by liquid-crystal template mechanism. Nature, 1992, Vol. 359, pp. 710-712.
• 6. M.M.L.R. CARROTT, A.L ESTEVAO-CANDEIAS, P.J.M. CARROTT, K.K. UNGER: Evaluation of the stability of pure silica MCM-41 toward water vapor. Langmuir, 1999, Vo1.15, pp. 8895-8901.
• 7. J. FRASCH, B. LEBEAU, M. SOULARD, J. PATARIN: In situ investigation on cetyltrimethylammonium surfactant/silicate systems, precursors of organized mesoporous MCM-41-type siliceous materials. Langmuir, 2000, Vol. 16, pp. 9049-9057.
• 8. J. CHOMA, W BURAKIEWICZ-MORTKA, M. JARONIEC: Comparison of adsorption properties of MCM-41 materials obtained using cationic surfactants with octyl chain. Colloids and Surfaces, 2002, Vol. 203, pp. 97-103.
• 9. A. DAVIDSON: Modifying the walls of mesoporous silicas prepared by supramolecular-templating. CUrrent Opinion in Colloid & Inter. Sci., 2002, Vol. 7, pp. 92-106.
• 10. J. CHOMA, M. JARONIEC, M. KRUK: Adsorption and structural properties of small-pore mesoporous silicas synthesized using mixed short-chain surfactants as templates. Annales UMCS, 2005, Vol. 60, pp. 23-33.
• 11. J.S. BECK, J.C. VARTULI, WJ. ROTH, M.E. LEONOWICZ, C.T. KRESGE, K.o. SCHMITT, C.T.W CHU, D.H. OLSON, E.W. SHEPPARD, S.B. MCCULLEN, LB. HIGGINS, J.L. SCHLENKER: A new family of mesoporous molecular sieves prepared with liquid crystals templates. Journal Am. Chem. Soc., 1992, Vol. 114, pp. 10834-10843.
• 12. J. CHOMA, M. JARONIEC: Adsorpcyjne właściwości mezoporowatych materiałów krzemionkowych MCM-48 otrzymywanych w temperaturze pokojowej przy użyciu matryc alkilotrimetyloamoniowych. Mat. "XII Forum Zeolitowego", Ciążeń 2005, ss. 77-83.
• 13. J. CHOMA, M. JARONIEC, M. KLOSKE: Modyfikowane nanoporowate adsorbenty krzemionkowe: Otrzymywanie, właściwości, zastosowanie. Biuletyn WAT, 2003, t. 52, nr II, ss. 65-110.
• 14. V. ANTOCHSHUK, M. JARONIEC: Simultaneous modification of mesopores and extraction of template molecules from MCM-41 with trialkylochlorosilanes. Chem. Commun., 1999, pp. 2373-2374.
• 15. V. ANTOCHSHUK, M. JARONIEC: Peculiarities of alkyl-modification of ordered mesoporous materials: a single-step treatment of uncalcined MCM-41 involving template removal and surface functionalization. Stud. Surf. Sci. Catal., 2000, Vol. 129, pp. 265-273.
• 16. H. JANKOWSKA, A. ŚWIĄTKOWSKI, J. CHOMA: Active Carbon. Ellis Horwood Ltd., Chichester 1991.
• 17. SJ. GREGG, K.S.W. SING: Adsorption, Surface Area and Porosity. Academic Press, London 1991.
• 18. T. PARYJCZAK: Gas Chromatography in Adsorption. Ellis Horwood Ltd., Chichester 1986.
• 19. H. GRAJEK: Badania zależności pomiędzy danymi retencji w odwróconej chromatografii gazowej i parametrami adsorpcyjnymi węgli aktywnych. Wyd. UMCS, Lublin 2003.
• 20. B. WUNDERLICH: Thermal Analysis. Academic Press, New York 1990.
• 21. J. CHOMA, M. JARONIEC, M. KLOSKE: Termograwimetryczne badania niemodyfikowanych i modyfikowanych nanoporowatych adsorbentów krzemionkowych. Biuletyn WAT, 2003, t. 52, nr 10, ss. 37-51.
• 22. J. CHOMA, M. JARONIEC: Badania powtarzalności syntezy uporządkowanych materiałów krzemionkowych MCM-41. Ochrona Środowiska, 2004, nr 3, ss. 3-6.
• 23. J. CHOMA, M. JARONIEC: Otrzymywanie i właściwości modyfikowanych nanoporowatych adsorbentów krzemionkowych. Ochrona Środowiska, 2003, nr l, ss. 3-8.
• 24. J. CHOMA, M. JARONIEC, W BURAKIEWICZ-MORTKA, E. MICHALSKI: Synteza i charakterystyka uporządkowanych mezoporowatych materiałów MCM-41 z grupami winylowymi. Biuletyn WAT, 2006 (w druku).
• 25. 1. CHOMA, S. PIKUS, M. JARONIEC: Adsorption characterization of surfactant-templated ordered mesoporous silicas synthesized with and without hydrothermal treatment. Applied Surface Sci., 2005, Vol. 252, pp. 562-569.
• 26. J. CHOMA, M. JARONIEC: Strukturalne właściwości heksagonalnie uporządkowanych mezoporowatych materiałów krzemionkowych otrzymywanych przy użyciu kationowych surfaktantów. Biuletyn WAT, 2003, t. 52, nr 10, ss. 135-151.
• 27. J. CHOMA, M. JARONIEC, M. KLOSKE: Uporządkowane nanoporowate materiały krzemionkowe: synteza, modyfikacja i charakterystyka. Biuletyn WAT, 2001, t. 50, nr 10, ss. 83-183.
• 28. J. CHOMA, M. JARONIEC: Standardowe dane adsorpcji azotu, argonu i benzenu do charakterystyki nanoporowatych adsorbentów krzemionkowych. Ochrona Środowiska, 2004, nr 2, ss. 3-10.
• 29. E.P. BARRETT, L.G. JOYNER, P.P. HALENDA: The determination of pore volume and area distribution in porous substances. 1 Computations from nitrogen isotherms. Journal Am. Chem. Soc., 1951, Vol. 73, pp. 373-380.
• 30. M. KRUK, M. JARONIEC, A. SAYARI: Application of large pore MCM-41 molecular sieves to improve pore size analysis using nitrogen adsorption measurements. Langmuir, 1997, Vol. 13, pp. 6267-6273.
• 31. M. JARONIEC, M. KRUK, J.P. OLIVIER: Standard nitrogen adsorption data for characterization of nanoporous silicas. Langmuir, 1999, Vol. 15, pp. 5410-5413.
• 32. J. CHOMA, M. KLOSKE, M. JARONIEC, J. KLINIK: Benzene adsorption isotherms on MCM-41 and their use for pore size analysis. Adsorption, 2004, Vol. 10, pp. 195-2003.
• 33. F. THIELMANN: Introduction into the characterisation of porous materials by inverse gas chromatography. Joumal Chromatography A, 2004, Vol. 1037, pp. 115-123.
• 34. HyperChem Release 7 for Windows. Hypercube Inc., USA 2002.
• 35. H. GRAJEK, Z. WITKIEWICZ, H. JANKOWSKA: Application of Kovats retention indices for investigation of adsorption properties of activated carbons. Journal Chromatography A, 1997, Vol. 782, pp. 87-94.
• 36. M. JARONIEC, R. MADEY: Physical Adsorption on Heterogeneous Solids. EIsevier, Amsterdam 1988.
• 37. W. RUDZIŃSKI, D.H. EVERETT: Adsorption ofGases on Heterogeneous Surfaces. Academic Press, New York 1991.
• 38. M. JARONIEC, K.P. GADKAREE, J. CHOMA: Relation between adsorption potential distribution and pore volume distribution for microporous carbons. Colloids & Surfaces, 1996, Vol. 118, pp. 203-210.
• 39. Z. SUPRYNOWICZ, M. JARONIEC, J. GAWDZIK: Analytical expressions for the retention volume in gas adsorption chromatography. Chromatographia, 1976, Vol. 9, pp. 161-167.
• 40. M. JARONIEC, X. LU, R. MADEY: Application of an exponential isotherm equation for describing gas adsorption on microporous activated carbons. Carbon, 1989, Vol. 27, pp. 567-571.
• 41. M. JARONIEC, J. CHOMA: Studies of energetic heterogeneity of porous solids by using gas chromatographic data. Proc. Fundamentais of Adsorption, Asilomar 1995, USA, p. 21.
• 42. M. SMUTEK: The adsorption on a heterogeneous surface near the zero coverage. Surface Sci., 1975, Vol. 52, pp. 445-454.
• 43. S. SIRCAR: Effect of the local isotherm on adsorbent heterogeneity. Journal Colloid Interface Sci., 1984, Vol. 101, pp. 452-461.
• 44. M.B. MARTIN-HOPKINS, R.K. GILPIN, M. JARONIEC: Studies of the surface heterogeneity of chemically modified porous carbons by gas-solid chromatography. Journal Chromatographic Science, 1991, Vol. 29, pp. 147-152.