Визначення технологічних параметрів Zn-Al подвійно-шарових гідроксидів, як матриці для інтеркалювання функціональними аніонами, при різних умовах синтезу

Автор(и)

  • Вадим Леонідович Коваленко Український державний хіміко-технологічний університет, Україна https://orcid.org/0000-0002-8012-6732
  • Анастасія Юріївна Борисенко Український державний хіміко-технологічний університет, Україна https://orcid.org/0000-0002-2732-5660
  • Валерій Анатолійович Коток Український державний хіміко-технологічний університет, Україна https://orcid.org/0000-0001-8879-7189
  • Ровіл Касимович Нафєєв Державний університет телекомунікацій, Україна https://orcid.org/0000-0003-2721-9718
  • Володимир Валентинович Вербицький Національний педагогічний університет ім. Драгоманова; Національний еколого-натуралістичний центр, Україна https://orcid.org/0000-0001-7045-8293
  • Олена Сергіївна Мельник Сумський національний аграрний університет, Україна https://orcid.org/0000-0001-5763-0431

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.254496

Ключові слова:

Zn–Al подвійно-шаровий гідроксид, інтеркалювання, нітрат, вихід продукту, швидкість седиментації

Анотація

Подвійно-шарові гідроксиди, особливо Zn-Al, є цінними основами для інтеркалювання різних функціональних аніонів: барвниками, лікарськими засобами, харчовими добавками тощо. Для цілеспрямованої розробки та оптимізації технології синтезу функціональних матеріалів на основі Zn-Al подвійно-шарових гідроксидів були визначені технологічні параметри зразків Zn-Al-нітратного подвійно-шарового гідроксиду (Zn:Al=4:1), синтезованих при швидкостях подачі розчинів 0,8 и 1,6 л/год, рН=7, 8, 9, 10 и t=10, 20, 30, 40, 50 та 60 °С. Значення виходу зразків визначені гравіметричним методом. Швидкість седиментації вивчена шляхом вимірюванням нормалізованої товщини шару осаду (відносно початкової товщини шару) протягом 30 хвилин відстоювання. Виявлено, що при збільшенні рН синтезу виход зростає з 74,68 % до 83,54 %. Збільшення швидкості подачі розчинів призводить до зниження виходу. На залежності виходу від температури синтезу було виділено дві ділянки: 10–20 °С, 30–60 °С, в межах яких збільшення температури призводить до зниження виходу. Показано, що при збільшенні рН синтезу та швидкості додавання розчинів швидкість седиментації суттєво зростає. При рН=10 практично повне осадження зразка відбувається протягом перших 5 хвилин. Отримані дані вказують, що рН нульового заряду часток Zn-Al-NO3 подвійно-шарового гідроксиду близький до 10. Виявлено, що збільшення температури знижує швидкість седиментації. При цьому виявлено аномально низьку швидкість седиментації при температурі синтезу 30 °С та аномально високу при температурі 50 °С. Отримані дані підтверджують висловлену раніше гіпотезу щодо зміни механізму або кінетики формування подвійно-шарового гідроксиду при температурах 30 °С и 50 °С

Біографії авторів

Вадим Леонідович Коваленко, Український державний хіміко-технологічний університет

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра аналітичної хімії та хімічної технології харчових добавок та косметичних засобів

Анастасія Юріївна Борисенко, Український державний хіміко-технологічний університет

Аспірантка

Кафедра аналітичної хімії та хімічної технології харчових добавок та косметичних засобів

Валерій Анатолійович Коток, Український державний хіміко-технологічний університет

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра процесів і апаратів, та загальної хімічної технології

Ровіл Касимович Нафєєв, Державний університет телекомунікацій

Кандидат фізико-математичних наук, доцент

Кафедра фізики

Володимир Валентинович Вербицький, Національний педагогічний університет ім. Драгоманова; Національний еколого-натуралістичний центр

Доктор педагогічних наук, професор

Кафедра медико-біологічних та валеологічних основ охорони життя і здоров’я

Директор

Олена Сергіївна Мельник, Сумський національний аграрний університет

Кандидат технічних наук, доцент, старший науковий співробітник

Науково-дослідна частина

Посилання

  1. Kesavan Pillai, S., Kleyi, P., de Beer, M., Mudaly, P. (2020). Layered double hydroxides: An advanced encapsulation and delivery system for cosmetic ingredients-an overview. Applied Clay Science, 199, 105868. doi: https://doi.org/10.1016/j.clay.2020.105868
  2. Viseras, C., Sánchez-Espejo, R., Palumbo, R., Liccardi, N., García-Villén, F., Borrego-Sánchez, A. et. al. (2021). Clays in cosmetics and personal-care products. Clays and Clay Minerals, 69 (5), 561–575. doi: https://doi.org/10.1007/s42860-021-00154-5
  3. Zaichuk, A. V., Amelina, A. A. (2018). Blue-green ceramic pigments in the system Ca–MgO–Al2O3–SiO2–СоО–Cr2O3 based on granulated blast-furnace slag. Voprosy Khimii i Khimicheskoi Tekhnologii, 6, 120–124. doi: https://doi.org/10.32434/0321-4095-2018-121-6-120-124
  4. Zaychuk, A. V., Belyy, Ya. I. (2012). Korichnevye keramicheskie pigmenty na osnove martenovskogo shlaka. Zhurnal prikladnoy khimii, 85 (10), 1595–1600.
  5. Zaychuk, A., Iovleva, J. (2013). The Study of Ceramic Pigments of Spinel Type with the Use of Slag of Aluminothermal Production of Ferrotitanium. Chemistry & Chemical Technology, 7 (2), 217–225. doi: https://doi.org/10.23939/chcht07.02.217
  6. Zaychuk, A. V., Belyy, Ya. I. (2013). Sovershenstvovanie sostavov i svoystv serykh keramicheskikh pigmentov. Steklo i keramika, 6, 32–37.
  7. Zaychuk, A. V., Amelina, A. A. (2017). Poluchenie uvarovitovykh keramicheskikh pigmentov s primeneniem granulirovannogo domennogo shlaka. Steklo i keramika, 3, 32–36.
  8. Khan, A. I., Ragavan, A., Fong, B., Markland, C., O’Brien, M., Dunbar, T. G. et. al. (2009). Recent Developments in the Use of Layered Double Hydroxides as Host Materials for the Storage and Triggered Release of Functional Anions. Industrial & Engineering Chemistry Research, 48 (23), 10196–10205. doi: https://doi.org/10.1021/ie9012612
  9. Mandal, S., Tichit, D., Lerner, D. A., Marcotte, N. (2009). Azoic Dye Hosted in Layered Double Hydroxide: Physicochemical Characterization of the Intercalated Materials. Langmuir, 25 (18), 10980–10986. doi: https://doi.org/10.1021/la901201s
  10. Mandal, S., Lerner, D. A., Marcotte, N., Tichit, D. (2009). Structural characterization of azoic dye hosted layered double hydroxides. Zeitschrift Für Kristallographie, 224 (5-6), 282–286. doi: https://doi.org/10.1524/zkri.2009.1150
  11. Wang, Q., Feng, Y., Feng, J., Li, D. (2011). Enhanced thermal- and photo-stability of acid yellow 17 by incorporation into layered double hydroxides. Journal of Solid State Chemistry, 184 (6), 1551–1555. doi: https://doi.org/10.1016/j.jssc.2011.04.020
  12. Liu, J. Q., Zhang, X. C., Hou, W. G., Dai, Y. Y., Xiao, H., Yan, S. S. (2009). Synthesis and Characterization of Methyl-Red/Layered Double Hydroxide (LDH) Nanocomposite. Advanced Materials Research, 79-82, 493–496. doi: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.79-82.493
  13. Tian, Y., Wang, G., Li, F., Evans, D. G. (2007). Synthesis and thermo-optical stability of o-methyl red-intercalated Ni–Fe layered double hydroxide material. Materials Letters, 61 (8-9), 1662–1666. doi: https://doi.org/10.1016/j.matlet.2006.07.094
  14. Hwang, S.-H., Jung, S.-C., Yoon, S.-M., Kim, D.-K. (2008). Preparation and characterization of dye-intercalated Zn–Al-layered double hydroxide and its surface modification by silica coating. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 69 (5-6), 1061–1065. doi: https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2007.11.002
  15. Tang, P., Deng, F., Feng, Y., Li, D. (2012). Mordant Yellow 3 Anions Intercalated Layered Double Hydroxides: Preparation, Thermo- and Photostability. Industrial & Engineering Chemistry Research, 51 (32), 10542–10545. doi: https://doi.org/10.1021/ie300645b
  16. Tang, P., Feng, Y., Li, D. (2011). Fabrication and properties of Acid Yellow 49 dye-intercalated layered double hydroxides film on an alumina-coated aluminum substrate. Dyes and Pigments, 91 (2), 120–125. doi: https://doi.org/10.1016/j.dyepig.2011.03.012
  17. Tang, P., Feng, Y., Li, D. (2011). Improved thermal and photostability of an anthraquinone dye by intercalation in a zinc–aluminum layered double hydroxides host. Dyes and Pigments, 90 (3), 253–258. doi: https://doi.org/10.1016/j.dyepig.2011.01.007
  18. Burmistr, M. V., Boiko, V. S., Lipko, E. O., Gerasimenko, K. O., Gomza, Y. P., Vesnin, R. L. et. al. (2014). Antifriction and Construction Materials Based on Modified Phenol-Formaldehyde Resins Reinforced with Mineral and Synthetic Fibrous Fillers. Mechanics of Composite Materials, 50 (2), 213–222. doi: https://doi.org/10.1007/s11029-014-9408-0
  19. Кovalenko, V., Kotok, V. (2017). Selective anodic treatment of W(WC)-based superalloy scrap. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (5 (85)), 53–58. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.91205
  20. Shamim, M., Dana, K. (2017). Efficient removal of Evans blue dye by Zn–Al–NO3 layered double hydroxide. International Journal of Environmental Science and Technology, 15 (6), 1275–1284. doi: https://doi.org/10.1007/s13762-017-1478-9
  21. Mahjoubi, F. Z., Khalidi, A., Abdennouri, M., Barka, N. (2017). Zn–Al layered double hydroxides intercalated with carbonate, nitrate, chloride and sulphate ions: Synthesis, characterisation and dye removal properties. Journal of Taibah University for Science, 11 (1), 90–100. doi: https://doi.org/10.1016/j.jtusci.2015.10.007
  22. Pahalagedara, M. N., Samaraweera, M., Dharmarathna, S., Kuo, C.-H., Pahalagedara, L. R., Gascón, J. A., Suib, S. L. (2014). Removal of Azo Dyes: Intercalation into Sonochemically Synthesized NiAl Layered Double Hydroxide. The Journal of Physical Chemistry C, 118 (31), 17801–17809. doi: https://doi.org/10.1021/jp505260a
  23. Darmograi, G., Prelot, B., Layrac, G., Tichit, D., Martin-Gassin, G., Salles, F., Zajac, J. (2015). Study of Adsorption and Intercalation of Orange-Type Dyes into Mg–Al Layered Double Hydroxide. The Journal of Physical Chemistry C, 119 (41), 23388–23397. doi: https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b05510
  24. Marangoni, R., Bouhent, M., Taviot-Guého, C., Wypych, F., Leroux, F. (2009). Zn2Al layered double hydroxides intercalated and adsorbed with anionic blue dyes: A physico-chemical characterization. Journal of Colloid and Interface Science, 333 (1), 120–127. doi: https://doi.org/10.1016/j.jcis.2009.02.001
  25. El Hassani, K., Beakou, B. H., Kalnina, D., Oukani, E., Anouar, A. (2017). Effect of morphological properties of layered double hydroxides on adsorption of azo dye Methyl Orange: A comparative study. Applied Clay Science, 140, 124–131. doi: https://doi.org/10.1016/j.clay.2017.02.010
  26. Abdellaoui, K., Pavlovic, I., Bouhent, M., Benhamou, A., Barriga, C. (2017). A comparative study of the amaranth azo dye adsorption/desorption from aqueous solutions by layered double hydroxides. Applied Clay Science, 143, 142–150. doi: https://doi.org/10.1016/j.clay.2017.03.019
  27. Santos, R. M. M. dos, Gonçalves, R. G. L., Constantino, V. R. L., Santilli, C. V., Borges, P. D., Tronto, J., Pinto, F. G. (2017). Adsorption of Acid Yellow 42 dye on calcined layered double hydroxide: Effect of time, concentration, pH and temperature. Applied Clay Science, 140, 132–139. doi: https://doi.org/10.1016/j.clay.2017.02.005
  28. Bharali, D., Deka, R. C. (2017). Adsorptive removal of congo red from aqueous solution by sonochemically synthesized NiAl layered double hydroxide. Journal of Environmental Chemical Engineering, 5 (2), 2056–2067. doi: https://doi.org/10.1016/j.jece.2017.04.012
  29. Ahmed, M. A., brick, A. A., Mohamed, A. A. (2017). An efficient adsorption of indigo carmine dye from aqueous solution on mesoporous Mg/Fe layered double hydroxide nanoparticles prepared by controlled sol-gel route. Chemosphere, 174, 280–288. doi: https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2017.01.147
  30. Arizaga, G. G. C., Gardolinski, J. E. F. da C., Schreiner, W. H., Wypych, F. (2009). Intercalation of an oxalatooxoniobate complex into layered double hydroxide and layered zinc hydroxide nitrate. Journal of Colloid and Interface Science, 330 (2), 352–358. doi: https://doi.org/10.1016/j.jcis.2008.10.025
  31. Andrade, K. N., Pérez, A. M. P., Arízaga, G. G. C. (2019). Passive and active targeting strategies in hybrid layered double hydroxides nanoparticles for tumor bioimaging and therapy. Applied Clay Science, 181, 105214. doi: https://doi.org/10.1016/j.clay.2019.105214
  32. Kovalenko, V., Kotok, V., Yeroshkina, A., Zaychuk, A. (2017). Synthesis and characterisation of dye­intercalated nickel­aluminium layered­double hydroxide as a cosmetic pigment. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (12 (89)), 27–33. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.109814
  33. Cursino, A. C. T., Rives, V., Arizaga, G. G. C., Trujillano, R., Wypych, F. (2015). Rare earth and zinc layered hydroxide salts intercalated with the 2-aminobenzoate anion as organic luminescent sensitizer. Materials Research Bulletin, 70, 336–342. doi: https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2015.04.055
  34. Kovalenko, V., Kotok, V. (2019). “Smart” anti­corrosion pigment based on layered double hydroxide: construction and characterization. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4 (12 (100)), 23–30. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.176690
  35. Carbajal Arízaga, G. G., Sánchez Jiménez, C., Parra Saavedra, K. J., Macías Lamas, A. M., Puebla Pérez, A. M. (2016). Folate‐intercalated layered double hydroxide as a vehicle for cyclophosphamide, a non‐ionic anti‐cancer drug. Micro & Nano Letters, 11 (7), 360–362. doi: https://doi.org/10.1049/mnl.2016.0106
  36. Ghotbi, M. Y., Hussein, M. Z. bin, Yahaya, A. H., Rahman, M. Z. A. (2009). LDH-intercalated d-gluconate: Generation of a new food additive-inorganic nanohybrid compound. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 70 (6), 948–954. doi: https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2009.05.007
  37. Hong, M.-M., Oh, J.-M., Choy, J.-H. (2008). Encapsulation of Flavor Molecules, 4-Hydroxy-3-Methoxy Benzoic Acid, into Layered Inorganic Nanoparticles for Controlled Release of Flavor. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 8 (10), 5018–5021. doi: https://doi.org/10.1166/jnn.2008.1385
  38. Rajamathi, M., Vishnu Kamath, P., Seshadri, R. (2000). Polymorphism in nickel hydroxide: role of interstratification. Journal of Materials Chemistry, 10 (2), 503–506. doi: https://doi.org/10.1039/a905651c
  39. Kovalenko, V., Kotok, V. (2018). Comparative investigation of electrochemically synthesized (α+β) layered nickel hydroxide with mixture of α-Ni(OH)2 and β-Ni(OH)2. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2 (6 (92)), 16–22. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.125886
  40. Kovalenko, V., Kotok, V. (2019). Influence of the carbonate ion on characteristics of electrochemically synthesized layered (α+β) nickel hydroxide. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (6 (97)), 40–46. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.155738
  41. Kotok, V., Kovalenko, V. (2018). A study of the effect of tungstate ions on the electrochromic properties of Ni(OH)2 films. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (12 (95)), 18–24. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.145223
  42. Kovalenko, V., Kotok, V. (2019). Anionic carbonate activation of layered (α+β) nickel hydroxide. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (6 (99)), 44–52. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.169461
  43. Nalawade, P., Aware, B., Kadam, V. J., Hirlekar, R. S. (2009). Layered double hydroxides: A review. Journal of Scientific & Industrial Research, 68, 267–272. Available at: https://www.hazemsakeek.net/wp-content/uploads/2021/06/LDH.pdf
  44. Delhoyo, C. (2007). Layered double hydroxides and human health: An overview. Applied Clay Science, 36 (1-3), 103–121. doi: https://doi.org/10.1016/j.clay.2006.06.010
  45. Hu, M., Lei, L. (2006). Effects of particle size on the electrochemical performances of a layered double hydroxide, [Ni4Al(OH)10]NO3. Journal of Solid State Electrochemistry, 11 (6), 847–852. doi: https://doi.org/10.1007/s10008-006-0231-y
  46. Kotok, V. A., Kovalenko, V. L., Solovov, V. A., Kovalenko, P. V., Ananchenko, B. A. (2018). Effect of deposition time on properties of electrochromic nickel hydroxide films prepared by cathodic template synthesis. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 13 (9), 3076–3086. Available at: http://www.arpnjournals.org/jeas/research_papers/rp_2018/jeas_0518_7034.pdf
  47. Kotok, V., Kovalenko, V., Vlasov, S. (2018). Investigation of Ni­Al hydroxide with silver addition as an active substance of alkaline batteries. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (6 (93)), 6–11. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.133465
  48. Kovalenko, V., Kotok, V. (2019). Investigation of characteristics of double Ni–Co and ternary Ni–Co–Al layered hydroxides for supercapacitor application. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2 (6 (98)), 58–66. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.164792
  49. Xiao-yan, G., Jian-cheng, D. (2007). Preparation and electrochemical performance of nano-scale nickel hydroxide with different shapes. Materials Letters, 61 (3), 621–625. doi: https://doi.org/10.1016/j.matlet.2006.05.026
  50. Kovalenko, V. L., Kotok, V. A., Sykchin, A., Ananchenko, B. A., Chernyad’ev, A. V., Burkov, A. A. et. al. (2020). Al3+ Additive in the Nickel Hydroxide Obtained by High-Temperature Two-Step Synthesis: Activator or Poisoner for Chemical Power Source Application? Journal of The Electrochemical Society, 167 (10), 100530. doi: https://doi.org/10.1149/1945-7111/ab9a2a
  51. Saikia, H., Ganguli, J. N. (2012). Intercalation of Azo Dyes in Ni-Al Layered Double Hydroxides. Asian Journal of Chemistry, 24 (12), 5909–5913. Available at: https://asianjournalofchemistry.co.in/User/ViewFreeArticle.aspx?ArticleID=24_12_134
  52. Kotok, V. A., Kovalenko, V. L. (2019). Non-Metallic Films Electroplating on the Low-Conductivity Substrates: The Conscious Selection of Conditions Using Ni(OH)2 Deposition as an Example. Journal of The Electrochemical Society, 166 (10), D395–D408. doi: https://doi.org/10.1149/2.0561910jes
  53. Kotok, V., Kovalenko, V. (2018). A study of multilayered electrochromic platings based on nickel and cobalt hydroxides. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (12 (91)), 29–35. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.121679
  54. Kovalenko, V., Kotok, V. (2018). Influence of ultrasound and template on the properties of nickel hydroxide as an active substance of supercapacitors. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (12 (93)), 32–39. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.133548
  55. Kovalenko, V., Kotok, V. (2020). Tartrazine-intercalated Zn–Al layered double hydroxide as a pigment for gel nail polish: synthesis and characterisation. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (12 (105)), 29–37. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.205607
  56. Kovalenko, V., Kotok, V. (2020). Bifuctional indigocarmin­intercalated Ni­Al layered double hydroxide: investigation of characteristics for pigment and supercapacitor application. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2 (12 (104)), 30–39. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.201282
  57. Kovalenko, V., Kotok, V. (2020). Determination of the applicability of Zn­Al layered double hydroxide, intercalated by food dye Orange Yellow S, as a cosmetic pigment. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (12 (107)), 81–89. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.214847
  58. Kovalenko, V., Kotok, V. (2021). The determination of synthesis conditions and color properties of pigments based on layered double hydroxides with Co as a guest cation. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6 (6 (114)), 32–38. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.247160
  59. Kovalenko, V., Borysenko, A., Kotok, V., Nafeev, R., Verbitskiy, V., Melnyk, O. (2022). Determination of the dependence of the structure of Zn-Al layered double hydroxides, as a matrix for functional anions intercalation, on synthesis conditions. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (12 (115)), 12–20. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.252738
  60. Vasserman, I. M. (1980). Khimicheskoe osazhdenie iz rastvorov. Leningrad: Khimiya, 208.

##submission.downloads##

Опубліковано

2022-04-30

Як цитувати

Коваленко, В. Л., Борисенко, А. Ю., Коток, В. А., Нафєєв, Р. К., Вербицький, В. В. ., & Мельник, О. С. (2022). Визначення технологічних параметрів Zn-Al подвійно-шарових гідроксидів, як матриці для інтеркалювання функціональними аніонами, при різних умовах синтезу. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2(6 (116), 25–32. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.254496

Номер

Розділ

Технології органічних та неорганічних речовин