Механизм и кинетика роста наночастиц серы и сульфатов щелочноземельных металлов при их соосаждении из истинных полисульфидных растворов

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Синтезированы наночастицы сульфатов щелочноземельных металлов (СЩЗМ) и нанокомпозитов СЩЗМ с наночастицами серы (наносера) из водных растворов полисульфидов (ВРП) щелочноземельных металлов (ЩЗМ) кальция, стронция и бария (CaSn, SrSn, BaSn; n>1). ВРП ЩЗМ получены в водной среде при температурах 70 и 90°C в результате реакции между гидроокисью металла с серой. Установлено, что применение механически активированной в дезинтеграторе серы для синтеза позволяет получить за меньшие времена более высокие концентрации ВРП ЩЗМ. С целью установления возможных механизмов механохимической перекристаллизации в жидких средах методом статического рассеяния света определена кинетика укрупнения частиц в результате обратимой агрегации наночастиц серы и сульфатов ЩЗМ. Обнаружено, что вначале формируются частицы с размерами около 30 нм, которые со временем укрупняются до десятков мкм. Величины константы скорости укрупнения (агломерации) частиц (Q) растут с концентрацией кислот, а оптимальное их значение для реализации Q-механизма составляют 10 %. Найдено, что применение ПАВ (неонол; концентрация 5 %) приводит к многократному снижению Q. Обнаружено также, что величина Q возрастает с температурой и для оптимального интервала 300÷350 K установлены энергии активации процессов укрупнения частиц S/MeSO4. Рассмотрены практические аспекты результатов работы на примере использования полученных образцов для проращивания зерен пшеницы, а также гидрофобность образцов S/MeSO4 в результате наличия в них серы.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Ф. Х. Уракаев

Институт геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: urakaev@igm.nsc.ru
Россия, 630090, Новосибирск

И. А. Массалимов

Уфимский университет науки и технологий; Технологический институт гербицидов

Email: urakaev@igm.nsc.ru
Россия, 450076, Уфа; 450029, Уфа

Б. С. Ахметшин

Уфимский университет науки и технологий

Email: urakaev@igm.nsc.ru
Россия, 450076, Уфа

Б. И. Массалимов

Физический институт имени П. Н. Лебедева

Email: urakaev@igm.nsc.ru
Россия, 119333, Москва

А. Н. Хусаинов

Уфимский университет науки и технологий

Email: urakaev@igm.nsc.ru
Россия, 450076, Уфа

М. Р. Самсонов

Уфимский университет науки и технологий

Email: urakaev@igm.nsc.ru
Россия, 450076, Уфа

Ш. С. Мустафокулов

Уфимский университет науки и технологий

Email: urakaev@igm.nsc.ru
Россия, 450076, Уфа

Список литературы

  1. Массалимов И. А., Самсонов М. Р., Ахметшин Б. С., и др. // Коллоидн. журн. 2018. Т. 80. № 4. С. 424. doi: 10.1134/S0023291218040080 [Massalimov I.A., Samsonov M.R., Akhmetshin B.S., et al. // Colloid J. 2018. V. 80. № 4. P. 407. https://doi.org/10.1134/S1061933X18040087]
  2. Массалимов И.А., Ахметшин Б.С., Массалимов Б.И., Уракаев Ф.Х. // Журн. физ. химии. 2024. Т. 98. № 1. С. 124. doi: 10.31857/S0044453724010179 [Massalimov I.A., Akhmetshin B.S., Massalimov B.I., Urakaev F. Kh. // Russ. J. Phys. Chem. A. 2024. V. 98. № 1. P. 120. https://doi.org/10.1134/S003602442401014X]
  3. Уракаев Ф.Х., Буркитбаев М.М. // Журн.физ.химии. 2023. Т. 97. № 10. С. 1471. doi: 10.31857/S0044453723100254 [Urakaev F. Kh., Burkitbaev M.M. // Russ. J. Phys. Chem. A. 2023. V. 97. № 10. P. 2231. https://doi.org/10.1134/S0036024423100254]
  4. Narayan O.P., Kumar P., Yadav B., et al. // Plant Signal. Behav. 2023. V. 18. № 1. P. e2030082 (11pp). https://doi.org/10.1080/15592324.2022.2030082
  5. Garcia A.A., Druschel G.K. // Geochem Trans. 2014. V. 15. P. e2030082 (11pp). https://doi.org/10.1186/s12932-014-0011-z
  6. Ghotekar S., Pagar T., Pansambal S., Oza R. // Adv. J. Chem. B. 2020. V. 2. № 3. P. 128. https://doi.org/10.22034/ajcb.2020.109501
  7. Jin H., Sun Y., Sun Z., Yang M., Gui R. // Coord. Chem. Rev. 2021. V. 438. P. 213913 (35pp). https://doi.org/10.1016/j.ccr.2021.213913
  8. Samrat K., Chandraprabha M.N., Krishna R.H., et al. // Mater. Technol. 2022. V. 37. № 14. P. 3025. https://doi.org/10.1080/10667857.2022.2115757
  9. Sun Y., Jiang Y., Li Y., et al. // Chem. Sci. 2024. V. 15. № 13. P. 4709. https://doi.org/10.1039/D3SC06122A
  10. Lockhart C.L.F., Hojjatie M.M., Dimitriadis A. Polysulfide compositions and processes for making same: EP 3819282 // Bull. 2021. № 19. P. 13. https://data.epo.org/publication-server/rest/v1.0/publication-dates/20210512/patents/EP3819282NWA1/document.pdf
  11. Chao J.-Y., Yue T.-J., Ren B.-H., et al. // Angew. Chem. Int. Ed. 2022. V. 61. № 16. P. e202115950 (8pp). https://doi.org/10.1002/anie.202115950
  12. Amna R., Alhassan S.M. // ACS Appl. Polym. Mater. 2024. V. 6. № 8. P. 4350. https://doi.org/10.1021/acsapm.4c00272
  13. Ибарра Ф., Мейер К., Штефан Х., Торстен Х. Способ получения наночастиц сульфатов щелочноземельных металлов: Патент RU2338690 // Б.И. 2008. № 32. С. 10. https://patentimages.storage.googleapis.com/1f/4d/bf/f9e0e5d42a5b1d/RU2338690C2.pdf [Ibarra F., Mejer K., Shtefan Kh., Torsten Kh. Method of obtaining nanoparticles of sulphates of alkali earth metals: Patent RU2338690 // Bull. 2008. № 32. P. 10. https://patents.google.com/patent/RU2338690C2/ru]
  14. Prutviraj K. Ramesh T.N. Surfactant mediated synthesis of barium sulfate, strontium sulfate and barium-strontium sulfate nanoparticles // Inor. Nano-Met. Chem. 2019. Vol. 49. № 4. P. 93—99. https://doi.org/10.1080/24701556.2019.1603162
  15. Alhseinat E., Abi J.M., Afra A., et al. // Surfaces and Interfaces. 2021. V. 22. P. 100875 (12pp). https://doi.org/10.1016/j.surfin.2020.100875
  16. Ahmad M.N., Nadeem S., Hassan S.U., et al. // Dig. J. Nanomat. Biostruct. 2021. V. 16. № 4. P. 1557. doi: 10.15251/DJNB.2021.164.1557; https://chalcogen.ro/1557_AhmadMN.pdf
  17. Lu M.Q., Cao J.J., Wang Z.Y., Wang G.Q. // Minerals. 2022. V. 12. № 10. P. 1289 (23pp). https://doi.org/10.3390/min12101289
  18. Tritschler U., Van Driessche A.E.S., Kempter A., et al. // Angew. Chem. Int. Ed. 2015. V. 54. № 13. P. 4083. https://doi.org/10.1002/anie.201409651
  19. Chen S., Jiang Y., Xu Y., et al. // Mater. Res. Express. 2019. V. 6. № 10. P. 1050b8 (9pp). doi: 10.1088/2053-1591/ab4070
  20. Barone A.W., Pringle M., Nguyen D., Dziak R. // Int J Dent Oral Health. 2020. V. 6. № 4. 7pp. https://dx.doi.org/10.16966/2378-7090.325; https://www.sciforschenonline.org/journals/dentistry/article-data/IJDOH325/IJDOH325.pdf
  21. Jia C., Wu L., Chen Q., et al. // CrystEngComm. 2020. V. 22. № 41. P. 6805. https://doi.org/10.1039/D0CE01173H
  22. Burgos-Ruiz M., Pelayo-Punzano G., Ruiz-Agudo E., et al. // Chem. Comm. 2021. V. 59. № 59. P. 7304. https://doi.org/10.1039/D1CC02014E
  23. Jia C.Y., Wu L.C., Fulton J.L., et al. // J. Phys. Chem. C. 2021. V. 125. № 6. P. 3415. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c10016
  24. Liu Y., Lu R., He L., et al. // Coatings. 2022. V. 12. № 6. P. 860 (11pp). https://doi.org/10.3390/coatings12060860
  25. Maslyk M., Dallos Z., Koziol M., et al. // Adv. Funct. Mater. 2022. V. 32. № 20. P. 2111852 (11pp). https://doi.org/10.1002/adfm.202111852
  26. Li Y.-F., Ouyang J.-H., Zhou Y., et al. // Mater. Lett. 2008. V. 62. № 29. P. 4417. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2008.07.053
  27. Nafi A.W., Taseidifar M., Pashley R.M., Ninham B.W. // Substantia. 2020. V. 4. № 2 (Supl. 1). P. 95. https://doi.org/10.36253/Substantia-1031
  28. Bakhtiar A., Chowdhury E.H. // Asian J. Pharm. Sci. 2021. V. 16. № 2. P. 236. https://doi.org/10.1016/j.ajps.2020.11.002
  29. Lauer A.R., Hellmann R., Montes-Hernandez G., et al. // J. Chem. Phys. 2023. V. 158. № 5. P. 054501 (13pp). https://doi.org/10.1063/5.0136870
  30. Akyol E., Cedimagar M.A. // Cryst. Res. Technol. 2016. V. 51. № 6. P. 393. doi: 10.1002/crat.201600046
  31. El-Ghaffar M.A.A., Abdelwahab N.A., Fekry A.M., et al. // Prog. Org. Coat. 2020. V. 144. P. 105664 (11pp). https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2020.105664
  32. Reissig F., Zarschler K., Hübner R., et al. // Chemistryopen. 2020. V. 9. № 8. P. 797. https://doi.org/10.1002/open.202000126
  33. Longlade J., Delaite C., Schuller A. // Materials Sci. Appl. 2021. V.12. № 1. P. 1. doi: 10.4236/msa.2021.121001; https://www.scirp.org/pdf/msa_2021011411225115.pdf
  34. Fang L., Sun Q., Duan Y.-H., et al. // Front. Chem. Sci. Eng. 2021. V. 15. № 4. P. 902. https://doi.org/10.1007/s11705-020-1985-y
  35. Sooch B.S., Mann M.K., Sharma M. // J. Clust. Sci. 2021. V. 32. P. 1141. https://doi.org/10.1007/s10876-020-01878-5
  36. Deng W., Wang G., Tang L., et al. // J. Colloid Interface Sci. 2022. V. 608. Part 1. P. 186. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2021.09.178
  37. Ketegenov T., Kamunur K., Batkal A., et al. // ChemEngineering. 2022. V. 6. № 2. P. 30 (18pp). https://doi.org/10.3390/chemengineering6020030
  38. Shareef A.M., Kadim A.M. // Iraqi J. Sci. 2023. V. 64. № 7. P. 3356. https://doi.org/10.24996/ijs.2023.64.7.17; https://ijs.uobaghdad.edu.iq/index.php/eijs/article/view/7184/4354
  39. Ma X., Zhou S., Cao J., et al. // J. Energy Storage. 2024. V. 84. № 18. P. 110710 (9pp). https://doi.org/10.1016/j.est.2024.110710
  40. Уракаев Ф.Х., Юсупов Т.С. Численная оценка кинематических и динамических характеристик обработки минералов в дезинтеграторе // ФТПРПИ. 2017. № 1. С. 135. https://sibran.ru/upload/iblock/1e2/1e2009c5c057dbe17f6cc88cc8690ef2.pdf Urakaev F. Kh., Yusupov T.S. // J. Mining Sci. 2017. V. 53. № 1. P. 133. https://doi.org/10.1134/S1062739117011945]
  41. Уракаев Ф.Х., Массалимов И.А., Юсупов Т.С., и др. // Вестник КазНУ. Сер. хим. 2016. Т. 83. № 3—4. С. 11. http://dx.doi.org/10.15328/cb780; https://bulletin.chemistry.kz/index.php/kaznu/article/view/780/609 [Urakaev F. Kh., Massalimov I.A., Yusupov T.S., et al. // Chem. Bull. Kazakh National Univ. 2016. V. 83. № 3—4. P. 11. http://dx.doi.org/10.15328/cb780]
  42. Массалимов И.А., Массалимов Б.И., Шаяхметов А.У., и др. // Физ. мезомех. 2024. Т. 27. № 3. С. 131. doi: 10.55652/1683-805X_2024_27_3_131-158. [Massalimov I.A., Massalimov B.I., Shayakhmetov A.U., и др. // Phys. Mesomech. 2024. V. 27. № 5. P. 592. https://doi.org/10.1134/S1029959924050084]
  43. Urakaev F. Kh., Khan N.V., Niyazbayeva A.I., et al. // Chimica Techno Acta. 2023. V. 10. № 2. P. 202310213 (8pp). https://doi.org/10.15826/chimtech.2023.10.2.13
  44. Zhang W.Q., Jin D., Liu C.X., et al. // Chem Eng J. 2024. V. 498. P. 155380 (14pp). https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.155380
  45. Уракаев Ф.Х. // Коллоид. журн. 2024. Т. 86. № 2. С. 266. doi: 10.31857/S0023291224020119 [Urakaev F.Kh. // Colloid J. 2024. V. 86. No. 2. P. 278. https://doi.org/10.1134/S1061933X23601245]
  46. Ахметов Т.Г., Бусыгин В.М., Гайсин JI.Г., Ахметова Р.Т. Химическая технология неорганических веществ. СПб.: Издательство «Лань». 2019. 452 с. https://e.lanbook.com/book/119611
  47. Дерягина Э.Н., Леванова Е.П., Грабельных В.А., и др. // ЖОХ. 2005. Т. 75. № 2. С. 220. https://elibrary.ru/item.asp?id=9139133 [Deryagina E.N., Levanova, E.P., Grabel’nykh, et al. // Russ. J. Gen. Chem. 2005. V. 75. P. 194. https://doi.org/10.1007/s11176-005-0197-y]
  48. Козлов И.А., Кузнецов Б.Н. Способ растворения элементной серы: Патент RU2184077 // Б.И. 2002. № 7. С. 5. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=37882247; https://www.elibrary.ru/download/elibrary_37882247_55649239.pdf
  49. Omori K. // Mineral. J. 1968. V. 5. № 5. P. 334. https://www.jstage.jst.go.jp/article/minerj1953/5/5/5_5_334/_pdf
  50. Bhushana N., Ganganagappa N., Nagabhushana B.M., Shivakumara C. // Philos. Mag. Lett. 2010. V. 90. № 4. P. 289. doi: 10.1080/09500831003636051
  51. Kloprogge J.T., Ruan H., Duong L.V., Frost R.L. // Geol. Mijnb./Neth. J. Geosci. 2001. V. 80. № 2. P. 41. doi: 10.1017/S0016774600022307
  52. Gupta A., Singh P., Shivakumara C. // Solid State Commun. 2010. V. 150. № 9—10. P. 386. https://doi.org/10.1016/j.ssc.2009.11.039
  53. Sifontes Á.B., Cañizales E., Toro-Mendoza J., et al. // J. Nanomater. 2015. V. 2015. P. 510376 (8pp). https://doi.org/10.1155/2015/510376
  54. Meenatchi B, Renuga V. // Chem Sci Trans. 2015. V. 4. № 2. P. 577. https://doi.org/10.7598/cst2015.1028
  55. Danielson L.-G., Chai X.-S., Behm M., Renberg L. // J. Pulp Pap Sci. 1996. V. 22. № 6. P. J187. https://www.researchgate.net/publication/264798173
  56. Liu G., Niu P., Yin L., Cheng H.-M. // J. Am. Chem. Soc. 2012. V. 134. № 22. P. 9070. https://doi.org/10.1021/ja302897b

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Зарождение и Q-укрупнение частиц композита S/MeSO4 по данным измерений интегральных (1, 2, 3) и дифференциальных (1, 2, 3) функций распределения по размерам D; S/CaSO4 (а), S/SrSO4 (б), S/BaSO4 (в).

Скачать (1MB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимости размеров частиц (D) композита S/MeSO4 (а, б) от времени наблюдения (t); 1 — S/CaSO4, 2 — S/SrSO4, 3 — S/BaSO4.

Скачать (139KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимости ln (D, нм)–t, мин для частиц S/CaSO4 от концентрации серной кислоты, мас.%: 10 (1),12.5 (2), 15 (3),17.5 (4), 20 % (5).

Скачать (58KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Влияние концентрации неонола: 0.5 (1), 0.3 (2), 0.1 (3), 0 мас. % на зависимости lnD –t для частиц S/CaSO4.

Скачать (60KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Влияние температуры: 25 (1), 35 (2), 45 (3), 55 (4), 65 (5), 75 (6), 85 (7), 95°C (8); на зависимости lnD –t для частиц S/CaSO4 (а); (б) — функция lnQ—T-1, построенная по данным (а).

Скачать (128KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимости ln D — t для индивидуальных частиц серы и СЩЗМ: (а) — наносера, полученная по реакции (5), (б) — 1 — CaSO4, 2 — SrSO4, 3 — BaSO4; на вставке (а) показаны данные СРС для исходного распределения частиц серы по размерам.

Скачать (142KB)
Метаданные
8. Рис. П1. ИК-спектры наночастиц MeSO4: (а) – CaSO4; (б) – SrSO4; (в) – BaSO4.

Скачать (182KB)
Метаданные
9. Рис. П2. Изображения образцов наночастиц серы и СЩЗМ при разрешениях СЭМ 3÷5 мкм (а–г) и 100 мкм (д–ж): S — (а); CaSO4 — (б, д); SrSO4 — (в, е); BaSO4 — (г, ж).

Скачать (465KB)
Метаданные
10. Рис. П3. РФА образцов наночастиц СЩЗМ: (а) — CaSO4; (б) — SrSO4; (в) — BaSO4.

Скачать (639KB)
Метаданные
11. Рис. П4. Длины корешков и побегов (L, %) для наносеры и нанокомпозитов S/CaCO3 и S/CaSO4 по сравнению с контролем (полив только водой).

Скачать (148KB)
Метаданные
12. Рис. П5. Гидрофобные свойства S/CaSO4 на примере поведения капли воды на их поверхности.

Скачать (217KB)
Метаданные
13. Приложение
Скачать (2MB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025