Кислотно-основные свойства кремнийсодержащих соединений, выделенных из хвощей (Equisetum Equisetaceae)

В статье приведены результаты исследования кислотно-основных свойств поверхности четырех  кремнийсодержащих  образцов  золы,  полученных  из  наземной  части  хвоща  полевого (E. Arvense L.) различными способами: окислительным обжигом; окислительным обжигом с предварительной обработкой водой или растворами соляной кислоты концентрацией 0,1 или 1,0 моль/л. Показано, что содержание диоксида кремния в образцах изменяется от 33 до 98 % в зависимости от условий переработки сырья. Предварительная обработка сырья раствором кислоты перед обжигом приводит к образованию золы с большим содержанием оксида кремния. Основными примесными элементами являются кальций, калий, магний, алюминий и железо. Образцы, полученные термическим методом и с предварительной обработкой водой, характеризуются большим количеством оксидов щелочноземельных металлов и калия. Дана сравнительная характеристика состояния  поверхности полученных зольных  образцов методами рН-метрии и  Гаммета.  Метод  pH-метрии позволяет оценить интегральную кислотность поверхности, метод Гаммета основан на селективной адсорбции кислотно-основных индикаторов и используется для исследования распределения поверхностных центров по кислотно-основным свойствам. Определены значения рН водной суспензии образцов, которые имеют нейтральную, щелочную или кислую среду в зависимости от схемы переработки тканей растения. Установлено, что поверхность образцов характеризуется наличием льюисовских кислотных (рКа +16,8), бренстедовских основных (рКа +7,15; +9,45) и кислотных (рКа +2,5) активных центров, количество которых определяется их составом. Большое содержание льюисовских кислотных центров в золе связано с атомами кремния. Число центров Бренстеда зависит от схемы обработки хвоща. На поверхности образцов, полученных окислительным обжигом и предварительно обработанных водой, количество бренстедовских активных центров при pKa +2,5 и pKa +9,45 выше по сравнению с золой, выделенной после гидролиза соляной кислотой. Дана сравнительная характеристика кривых распределения кислотно-основных центров кремнийсодержащих образцов золы, полученных из надземной части хвоща полевого и рисовой соломы, указывающая на их сходство.

1. Sheikh A.S. Silicon to silica bodies and their potential roles: An overview // International Journal of Agricultural Sciences. 2014. Sheikh A.S. Silicon to silica bodies and their potential roles: An over-view // International Journal of Agricultural Sciences. 2014. Vol. 4. Issue 2. P. 111–120.

2. Epstein E. Silicon: its manifold roles in plants// Annals of Applied Biology. 2009. Vol. 155. Issue 2. P. 155–160. https://doi.org/10.1111/j.1744-7348.2009.00343.x

3. Sakr N. Silicon control of bacterial and viral diseases in plants // Journal of plant protection research. 2016. Vol. 56. Issue 4. P. 331–336. https://doi.org/10.1515/jppr-2016-0052

4. Brugiere T., Exley C. Callose – associated silica deposition in Arabidopsis // Journal of Trace Elements in Medicine and Biology. 2017. Issue 39. P. 86–90. https://doi.org/10.1016/j.jtemb.2016.08.005

5. Law C., Exley C. New insight into silica deposition in horsetail (Equisetum arvense) // BMC Plant Biology. 2011. Vol. 11. P. 112. https://doi.org/10.1186/1471-2229-11-112

6. Fautex F., Chain F., Belzile F., Menzies J.G., Bélanger R.R. The protective role of silicon in the Arabidopsis-powdery mildew pathosystem // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2006. Vol. 103. Issue 46. P. 17554–17559. https://doi.org/10.1073/pnas.0606330103

7. Guerriero G., Law C., Stokes I., Moore K.L., Exley C. Rough and tough. How does silicic acid protect horsetail from fungal infection? // Journal of Trace Elements in Medicine and Biology. 2018. Vol. 47. P. 45–52. https://doi.org/10.1016/j.jtemb.2018.01.015

8. Zemnukhova L.A., Fedorishcheva G.A., Egorov A.G., Sergienko V.I. Recovery conditions, impurity composition, and characteristics of amorphous silicon dioxide from wastes formed in rice production // Russian Journal of Applied Chemistry. 2005. Vol. 78. Issue 2. P. 319–323. https://doi.org/10.1007/s11167-005-0283-2

9. Zemnukhova L.A., Egorov A.G., Fedorishcheva G.A., Sokol'nitskaya T.A., Barinov N.N., Botsul A.I. Properties of amorphous silica produced from rice and oat processing waste // Inorganic Materials. 2006. Vol. 42. Issue 1. P. 24–29. https://doi.org/10.1134/S0020168506010067

10. Zemnukhova L.A., Panasenko A.E., Fedorishcheva G.A., Maiorov V.Y., Tsoi E.A., Shapkin N.P., Artem'yanov A.P. Composition and structure of amorphous silica produced from rice husk and straw // Inorganic Materials. 2014. Vol. 50. Issue 1. P. 75–81. https://doi.org/10.1134/S0020168514010208

11. Della V.P., Kühn I., Hotza D. Rice husk ash as an alternate source for active silica production // Materials Letters. 2002. Vol. 57. Issue 4. P. 818–821. https://doi.org/10.1016/S0167-577X(02)00879-0

12. Shen J., Liu X., Zhu S., Zhang H., Tan J. Effects of calcination parameters on the silica phase of original and leached rice husk ash // Materials Letters. 2011. Vol. 65. Issue 8. P. 1179–1183. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2011.01.034

13. Lu P., Hsieh Y.-L. Highly pure amorphous silica nano-disks from rice straw // Powder Technology. 2012. Vol. 225. P. 149–155. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2012.04.002

14. Witoon T., Chareonpanich M., Limtrakul J. Synthesis of bimodal porous silica from rice husk ash via sol–gel process using chitosan as template// Materials Letters. 2008. Vol. 62. Issue 10-11. P. 1476–1479. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2007.09.004

15. Захарова Н.В., Сычев М.М., Корсаков В.Г., Мякин С.В. Эволюция донорно-акцепторных центров поверхности сегнетоэлектриков при диспергировании // Конденсированные среды и межфазные границы. 2011. Т. 13. N 1. С. 56–62.

16. Танабе К. Твердые кислоты и основания/ пер. с англ. А.А. Кубасова, Б.В. Романовского. М.: Мир, 1973. 184 с.

17. Моррисон С.Р. Химическая физика поверхности твердого тела / пер. с англ. А.Я Шульмана. М.: Мир, 1980. 488 с.

18. Паукштис Е.А. Инфракрасная спектроскопия в гетерогенном кислотно-основном катализе. Новосибирск: Наука, 1992. 255 с.

19. Сычев М.М., Минакова Т.С., Слижов Ю.Г., Шилова О.А. Кислотно-основные характеристики поверхности твердых тел и управление свойствами материалов и композитов. СПб.: Химиздат, 2016. 276 с.

20. Пахнутова Е.А., Слижов Ю.Г. Кислотно-основные свойства поверхности газохроматографических сорбентов с привитыми слоями хелатов металлов // Журнал физической химии. 2014. Т. 88. N 7-8. С. 1228–1232. https://doi.org/10.7868/s0044453714080226

21. ОсипчикВ.С., Яковлева Р.А., Данченко Ю.М., Качоманова М.П., Быков Р.А., Посохова И.А. Исследование влияния поверхностных свойств бентонита на процессы отверждения эпоксиаминных композиций // Успехи в химии и химической технологии. 2007. Т. 21. N 6 (74). С. 40–43.

22. Тхуан Ф.К., Костромина Н.В., Осипчик В.С. Изучение поверхностных свойств наполненных композитов на основе эпоксидного олигомера // Успехи в химии и химической технологии. 2011. Т. 25. N 3 (119). С. 96–101.

23. Сорочкина Е.А., Смотраев Р.В., Калашников Ю.В., Груздева Е.В. Кислотно-основные свойства поверхности сферических гранулированных сорбентов на основе гидратированных оксидов циркония и алюминия // Вопросы химии и химической технологии. 2013. N 6. С. 102–104.

24. Осипчик В.С., Костромина Н.В., Олихова Ю.В., Ивашкина В.Н., Беляева Е.В., Логинова Н.А. [и др.]. Изучение влияние модификации стеклянных микросфер на свойства синтактных пен на основе олигометилсилоксана // Пластические массы. 2015. N 5-6. С. 36–39.

25. Земнухова Л.А., Арефьева О.Д., Ковехова А.В., Полякова Н.В., Панасенко А.Е., Камаева А.Ю. Кремнийсодержащие соединения в составе хвощей (Equisetum Equisetaceae) // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2019. Т. 9. N 2. С. 159–169. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2019-9-2-159-169

26. Антошкина Е.Г., Смолко В.А. Определение кислотно-основных центров на поверхности зерен кварцевых песков некоторых месторождений России // Вестник ЮУрГУ. Серия: Математика, физика, химия. 2008. Вып. 10. N 7. С. 65–68.

27. Плехова Е.Л., Лесишина Ю.О., Дмитрук А.Ф. Кислотно-основные центры адсорбции поверхности пористых углеродных материалов из растительного сырья // Научные труды Донецкого национального технического университета. Серия: Химия и химическая технология. 2010. Вып. 14 (162). С. 155–159.

28. Арефьева О.Д., Борисова П.Д., Земнухова Л.А. Кислотно-основные свойства поверхности аморфного диоксида кремния из соломы риса // Приоритетные направления развития науки и технологий: докл. XXII Междунар. науч.-техн. конф. (Тула, 23 декабря 2017 г.). Тула: Инновационные технологии, 2017. С. 17–20.