Аэрогели на основе диоксида кремния и лигносульфоната. С. 184-194

УДК

544.774.2

DOI:

10.37482/0536-1036-2024-6-184-194

Аннотация

В настоящее время наблюдается значительный интерес к синтезу аэрогелей на основе природных полимеров. Применение биополимеров обусловлено их физико-химическими свойствами, доступностью, нетоксичностью, возобновляемостью сырья, необходимого для их производства. Такими характеристиками и обладают лигносульфонаты – сульфопроизводные природного биополимера лигнина, образующиеся в результате сульфитной (бисульфитной) делигнификации древесины. Особое внимание, сочетая свойства как органических, так и неорганических компонентов, привлекают композиционные аэрогельные материалы. Внедрение биополимеров в матрицу нанокомпозитных аэрогелей может улучшить их потребительские свойства. Целью данной работы является синтез аэрогелей на основе диоксида кремния и лигносульфоната натрия, изучение гелеобразования в системе «лигносульфонат натрия – диоксид кремния» и оценка влияния условий синтеза на формирование структуры аэрогельных материалов на их основе. Золь-гель синтезом получены гидрогели на основе компонентов различной химической природы лигносульфоната натрия и диоксида кремния. Показано, что прочные упругие гели формируются при концентрации диоксида кремния свыше 175 г/л. Установлено, что модификация лигносульфонатов натрия диоксидом кремния приводит к агрегации частиц и увеличению их размера. Аэрогельные материалы на основе лигносульфоната натрия и диоксида кремния, полученные при различных мольных соотношениях компонентов (массовой доли лигносульфоната в системе), обладают развитой внутренней поверхностью, площадь удельной поверхности составляет 250...452 м2/г, общий объем пор варьирует от 0,84 до 2,00 см3/г. Показано, что при повышении массовой доли лигносульфоната в системе текстурные характеристики композиционных аэрогельных материалов изменяются: наблюдается рост их удельной поверхности и объема пор. При содержании в системе 6...25 % лигносульфоната натрия удельная поверхность композиционных аэрогелей равняется 250...325 м2/г, при увеличении доли лигносульфоната натрия в системе до 33...50 % – достигает 357...452 м2/г. Синтезированные материалы можно использовать в качестве сорбентов, сенсорных устройств, носителей катализаторов.

Сведения об авторах

О.С. Бровко¹, канд. хим. наук, вед. науч. сотр., доц.; ResearcherID: AAF-5387-2019, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1961-7831
М.Е. Нечаева^1*, мл. науч. сотр., аспирант; ResearcherID: AAL-7068-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6099-1358
А.Д. Ивахнов^1,2, канд. хим. наук, ст. науч. сотр.; ResearcherID: U-4822-2019, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2822-9192
И.А. Паламарчук¹, канд. хим. наук, ст. науч. сотр.; ResearcherID: AAF-5454-2019, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2947-1370
Н.А. Горшкова¹, канд. хим. наук, ст. науч. сотр.; ResearcherID: G-2949-2018, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2036-2418
Н.И. Богданович², д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: A-4662-2013, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5374-2943
¹Федеральный исследовательский центр комплексного изучения Арктики им. академика Н.П. Лавёрова УрО РАН, просп. Никольский, д. 20, г. Архангельск, Россия, 163020; brovko-olga@rambler.ru, m.e.nechaeva@yandex.ru*, ivahnov-tema@yandex.ru, irpalamarchuk@mail.ru, nat.gorshkova@mail.ru
²Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова, наб. Северной Двины, д. 17, г. Архангельск, Россия, 163002; ivahnov-tema@yandex.ru, n.bogdanovich@narfu.ru

Ключевые слова

биополимер, лигносульфонат натрия, диоксид кремния, аэрогель, текстурные характеристики

Для цитирования

Бровко О.С., Нечаева М.Е., Ивахнов А.Д., Паламарчук И.А., Горшкова Н.А., Богданович Н.И. Аэрогели на основе диоксида кремния и лигносуль- фоната // Изв. вузов. Лесн. журн. 2024. № 6. С. 184–194. https://doi.org/10.37482/0536-1036-2024-6-184-194

Литература

1. Арапова О.В., Чистяков А.В., Цодиков М.В., Моисеев И.И. Лигнин – возобновляемый ресурс углеводородных продуктов и энергоносителей (обзор) // Нефтехимия. 2020. Т. 60, No 3. С. 251–269. https://doi.org/10.31857/S0028242120030041
2. Вишнякова А.П., Бровко О.С. Применение ультрафильтрации для очистки, концентрирования и фракционирования лигносульфонатов сульфитного щелока // Экология и пром-сть России. 2009. No 8. С. 37–39.
   
3. Паламарчук И.А., Бровко О.С., Бойцова Т.А., Вишнякова А.П., Макаревич Н.А. Влияние ионной силы раствора на комлексообразование сульфопроизводных биополимера лигнина и хитозана // Химия растит. сырья. 2011. No 2. С. 57–64.
   
4. Плахин В.А., Хабаров Ю.Г., Вешняков В.А. Синтез коллоидного серебра с использованием лигносульфонатов // Изв. вузов. Лесн. журн. 2021. No 6. С. 184–195. https://doi.org/10.37482/0536-1036-2021-6-184-195
5. Шиндряев А.В., Лебедев А.Е., Меньшутина Н.В. Получение аэрогелей диоксида кремния с модификацией внутренней поверхности // Вестн. ТГТУ. 2023. Т. 29, No 3. С. 463–473.
   
6. Babiarczuk B., Lewandowski D., Kierzek K., Detyna J., Jones W., Kaleta J., Krzak J. Mechanical Properties of Silica Aerogels Controlled by Synthesis Parameters. Journal of Non-Crystalline Solids, 2023, vol. 606, art. no. 122171. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2023.122171
7. Brovko O., Palamarchuk I., Bogdanovich N., Ivakhnov А., Chukhchin D., Belousova M., Arkhilin M., Gorshkova N. Composite Aerogel Materials Based on Lignosulfonates and Silica: Synthesis, Structure, Properties. Materials Chemistry and Physics, 2021, vol. 269, art. no. 124768. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2021.124768
8. Brovko O.S., Bogolitsyn K.G., Palamarchuk I.A., Gorshkova N.A., Bogdanovich N.I., Ivakhnov A.D., Belousova M.E. Preparation of Aerogel Composite Materials Based on Lignosulfonates and Silica. Russian Journal of Physical Chemistry B, 2022, vol. 16, pp. 1204–1207. https://doi.org/10.1134/S1990793122070041
9. Budtova T., Aguilera D.A., Beluns S., Berglund L., Chartier C., Espinosa E., Gaidukovs S., Klimek-Kopyra A., Kmita A., Lachowicz D., Liebner F., Platnieks O., Rodríguez A., Navarro L.K.T., Zou F., Buwalda S.J. Biorefinery Approach for Aerogels. Polymers, 2020, vol. 12, no. 12, art. no. 2779. https://doi.org/10.3390/polym12122779
10. Christina K., Subbiah K., Arulraj P., Krishnan S.K., Sathishkumar P. A Sustainable and Eco-Friendly Approach for Environmental and Energy Management Using Biopolymers Chitosan, Lignin and Cellulose – A Review. International Journal of Biological Macromolecules, 2024, vol. 257, part 2, art. no. 128550. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2023.128550
11. Jesionowski T., Klapiszewski Ł., Milczarek G. Kraft Lignin and Silica as Precursors of Advanced Composite Materials and Electroactive Blends. Journal of Materials Science, 2014, vol. 49, pp. 1376–1385. https://doi.org/10.1007/s10853-013-7822-7
12. Khalil H.P.S.A., Yahya E.B., Jummaat F., Adnan A.S., Olaiya N.G., Rizal S., Abdullah C.K., Pasquini D., Thomas S. Biopolymers Based Aerogels: A Review on Revolutionary Solutions for Smart Therapeutics Delivery. Progress in Materials Science, 2023, vol. 131, art. no. 101014. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2022.101014
13. Khan N.R., Sharmin T., Rashid A.B. Exploring the Versatility of Aerogels: Broad Applications in Biomedical Engineering, Astronautics, Energy Storage, Biosensing, and Current Progress. Heliyon, 2024, vol. 10, iss. 1, art. no. e23102. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2023.e23102
14. Klapiszewski L., Zietek J., Ciesielczyk F., Siwinska-Stefanska K., Jesionowski T. Magnesium Silicate Conjugated with Calcium Lignosulfonate: In situ Synthesis and Comprehensive Physicochemical Evaluations. Physicochemical Problems of Mineral Processing, 2018, vol. 54 (3), pp. 793–802. https://doi.org/10.5277/ppmp1875
15. Matinfar M., Nychka J.A. A review of Sodium Silicate Solutions: Structure, Gelation, and Syneresis. Advances in Colloid and Interface Science, 2023, vol. 322, art. no. 103036. https://doi.org/10.1016/j.cis.2023.103036
16. Meti P., Mahadik D.B., Lee K.-Y., Wang Q., Kanamori K., Gong Y.-D., Park H.-H. Overview of Organic–Inorganic Hybrid Silica Aerogels: Progress and Perspectives. Materials & Design, 2022, vol. 222, art. no. 111091. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.111091
17. Minju N., Balagopal N.N., Savithri S. Sodium Silicate-Derived Aerogels: Effect of Processing Parameters on Their Applications. RSC Advances, 2021, vol. 11, pp. 15301– 15322. https://doi.org/10.1039/D0RA09793D
18. Modrzejewska-Sikorska A., Konował E., Klapiszewski Ł., Nowaczyk G., Jurga S., Jesionowski T., Milczarek G. Lignosulfonate-Stabilized Selenium Nanoparticles and Their Deposition on Spherical Silica. International Journal of Biological Macromolecules, 2017, vol. 103, pp. 403–408. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2017.05.083
19. Patel R., Dhar P., Babaei-Ghazvini A., Dafchahi M.N., Acharya B. Transforming Lignin into Renewable Fuels, Chemicals, and Materials: A Review. Bioresource Technology Reports, 2023, vol. 22, art. no. 101463. https://doi.org/10.1016/j.biteb.2023.101463
20. Rafieian F., Dufresne A., Askari G., Rezaei A., Seyedhosseini-Ghaheh H., Jafari S.M. Aerogels as Novel Ingredients: Production, Properties and Applications in Medical, Food and Environmental Sectors. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2024, vol. 687, art. no. 133410. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2024.133410
21. Ruwoldt J. A Critical Review of the Physicochemical Properties of Lignosulfonates: Chemical Structure and Behavior in Aqueous Solution, at Surfaces and Interfaces. Surfaces, 2020, vol. 3, no. 4, pp. 622–648. https://doi.org/10.3390/surfaces3040042
22. Schneider W.D.H., Dillon A.J.P., Camassola M. Lignin Nanoparticles Enter the Scene: A Promising Versatile Green Tool for Multiple Applications. Biotechnology Advances, 2021, vol. 47, art. no. 107685. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2020.107685
23. Soorbaghi F.P., Isanejad M., Salatin S., Ghorbani M., Jafari S., Derakhshankhah H. Bioaerogels: Synthesis Approaches, Cellular Uptake, and the Biomedical Applications. Biomedicine & Pharmacotherapy, 2019, vol. 111, pp. 964–975. https://doi.org/10.1016/j.biopha.2019.01.014
24. Vera M., Bischof S., Rivas B.L., Weber H., Mahler A.K., Kozich M., Guebitz G.M., Nyanhongo G.S. Biosynthesis of Highly Flexible Lignosulfonate–Starch Based Materials. European Polymer Journal, 2023, vol. 198, art. no. 112392. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2023.112392
25. Xiong W., Yang D., Alam M.A., Xu J., Li Y., Wang H., Qiu X. Structural Regulation of Lignin/Silica Nanocomposites by Altering the Content of Quaternary Ammonium Groups Grafted into Softwood Kraft Lignin. Industrial Crops and Products, 2020, vol. 144, art. no. 112039. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2019.112039
26. Zakis G.F. Functional Analysis of Lignins and Their Derivatives. Riga, Zinatne, 1987. 230 p.
27. Zhang Z., Chen Y., Wang D., Yu D., Wu C. Lignin-Based Adsorbents for Heavy Metals. Industrial Crops & Products, 2023, vol. 193, art. no. 116119. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2022.116119