ОЦЕНКА УДЕЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ПОРИСТОСТИ ГРУНТОВ
Аннотация
Почвы и грунты имеют сложное строение из нескольких элементов различной морфологии и химического состава, сочетающих микро-, мезо- и макропористую структуру. Классические подходы, такие как методы Брунауэра-Эммета-Теллера (BET) или Барретта-Джойнера-Халенды (BJH), не могут обеспечить точную оценку морфологических характеристик твердых тел, также как и современные сложные численные методы, которые зависят от идеализированных моделей пор, что вряд ли отражает реальную морфологию рассматриваемых гетерогенных твердых тел. Настоящее исследование описывает способ преодолеть эту трудность, применяя комбинацию методов αS-кривой и модифицированного метода Реми-Понселе. Предложенный подход позволил оценить объемы ультрамикропор, супермикропор и сумму мезо- и макропор, а также удельную поверхность твердого тела без ультрамикропор и твердого тела без всех микропор. Удельная площадь поверхности без учета ультрамикропор является более разумной оценкой величины поверхности, чем площадь поверхности по БЭТ, и все вместе эти характеристики обеспечивают детальное описание морфологии твердого тела. В качестве материалов исследования использовались образцы грунта, извлеченные с разной глубины и состоящие в основном из кварца, полевого шпата и глинистых минералов. Образцы имели различного рода поры, что связано с содержанием глинистой фракции и наличием почвенных агрегатов, а также относительно большую долю непористых частиц песка. Обсуждается связь морфологических свойств между профилем грунтов и минералогическим составом.
Для цитирования:
Аснин Л.Д., Самойлов М.С., Першина М.В., Целищев Ю.Г., Слюсарь Н.Н. Оценка удельной поверхности и пористости грунтов. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2024. Т. 67. Вып. 6. С. 55-64. DOI: 10.6060/ivkkt.20246706.6996.
Литература
Heister K. The measurement of the specific surface area of soils by gas and polar liquid adsorption methods—Limitations and potentials. Geoderma. 2014. V. 216. P. 75–87. DOI: 10.1016/j.geoderma.2013.10.015.
Rouquerol F., Rouquerol J., Sing K.S.W., Llewellyn P., Maurin G. Adsorption by Powders and Porous Solids: Principles, Methodology and Applications. San Diego, CA: Academic Press. 2013. 646 p.
Farberova Е.A., Maximov A.S., Shirkunov A.S., Ryabov V.G., Tingaeva E.A., Strelkov V.A. Research of possibility of processing petroleum coke with increased volatile substances into activated carbons. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2021. V. 64. N 4.
P. 92-99. DOI: 10.6060/ivkkt. 20216404.6331.
Opra D.P., Sinebryukhov S.L., Neumoin A.I., Podgorbunsky A.B., Gnedenkov S.V. Mesoporous Na2Ti3O7 nanotube-constructed materials with hierarchical architecture: synthesis and properties. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2022. V. 65. N 12. P. 37-43. DOI: 10.6060/ivkkt.20226512.6552.
Thommes M., Kaneko K., Neimark A.V., Olivier J.P., Rodriguez-Reinoso F., Rouquerol J., Sing K.S.W. Phy-sisorption of gases, with special reference to the evaluation of surface area and pore size distribution (IUPAC Technical Report). Pure Appl. Chem. 2015. V. 87. N 9-10. P. 1051-1069. DOI: 10.1515/pac-2014-1117.
Galarneau A., Mehlhorn D., Guenneau F., Coasne B., Villemot F., Minoux D., Aquino C., Dath J.-P. Specific Surface Area Determination for Microporous/ Mesoporous Materials: The Case of Mesoporous FAU-Y Zeolites. Langmuir. 2018. V. 34. N 47. P. 14134-14142. DOI: 10.1021/acs.langmuir.8b02144.
Prokešová-Fojtíková P., Mintova S., Čejka J., Žilková N., Zukal A. Porosity of micro/mesoporous composites. Micropor. Mesopor. Mater. 2006. V. 92. P. 154-160. DOI: 10.1016/j.micromeso.2005.12.017.
Batonneau-Gener I., Sachse A. Determination of the Exact Microporous Volume and BET Surface Area in Hierarchical ZSM-5. J. Phys. Chem. 2019. V. 123. N 7. P. 4235-4242. DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b11524.
Parashar S., Ravikovitch P.I., Neimark A.V. Molecular Modeling and Adsorption Characterization of Micro-Mesoporous Kerogen Nanostructures. Energy Fuels. 2022. V. 36. N 21. P. 13037-13049. DOI: 10.1021/acs.energyfuels.2c02876.
Gun'ko V. Composite materials: Textural characteristics. Appl. Surf. Sci. 2014. V. 307. P. 444-454. DOI: 10.1016/j.apsusc.2014.04.055.
Neimark A.V., Lin Y., Ravikovitch P.I., Thommes M. Quenched solid density functional theory and pore size analy-sis of micro-mesoporous carbons. Carbon. 2009. V. 47. N 7. P. 1617-1628. DOI: 10.1016/j.carbon.2009.01.050.
Gor G.Y., Thommes M., Cychosz K., Neimark A.V. Quenched solid density functional theory method for characterization of mesoporous carbons by nitrogen adsorption. Carbon. 2012. V. 50. N 4. P. 1583-1590. DOI: 10.1016/j.carbon.2011.11.037.
Landers J., Gor G.Y., Neimark A.V. Density functional theory methods for characterization of porous materials. Colloid. Surf. A: Physicochem. and Eng. Asp. 2013. V. 437. P. 3-32. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2013.01.007.
Dubinin M.M., Kadlec O. New ways in determination of the parameters of porous structure of microporous carbonaceous adsorbents. Carbon. 1975. V. 13. N 4. P. 263-265. DOI: doi.org/10.1016/0008-6223(75)90026-3.
Remy M.J., Poncelet G. A New Approach to the Determination of the External Surface and Micropore Volume of Zeolites from the Nitrogen Adsorption Isotherm at 77 K. J. Phys. Chem. 1995. V. 99. N 2. P. 773-779. DOI: 10.1021/ j100002a047.
Schneider P., Hudec P., Solcova O. Pore-volume and sur-face area in microporous–mesoporous solids. Micropor. Mesopor. Mater. 2008. V. 115. N 3. P. 491-496. DOI: 10.1016/j.micromeso.2008.02.024.
Buttersack Ch., Mollmer J., Hofmann J., Glaser R. Determination of micropore volume and external surface of zeolites. Micropor. Mesopor. Mater. 2016. V. 236. P. 63-70. DOI: 10.1016/j.micromeso.2016.08.018.
Gualtieri A.F., Gatta G.D., Arletti R., Artioli G., Ballirano P., Cruciani G., Guagliardi A., Malferrari D., Masciocchi N., Scardi P. Quantitative phase analysis using the Rietveld method: towards a procedure for checking the reliability and quality of the results. Mineral. Crystallogr. 2019. V. 88. N 2. P. 147-151. DOI: 10.2451/2019PM870.
Bergaya F., Lagaly G. Handbook of Clay Science. Amsterdam: Elsevier. 2013. P. 765-788. DOI: 10.1016/B978-0-08-098258-8.00028-6.
Rouquerol J., Llewellyn P., Rouquerol F. Is the BET equa-tion applicable to microporous adsorbents? Stud. Surf. Sci. Catal. 2007. V. 160. P. 49-56. DOI: 10.1016/S0167-2991(07)80008-5.
Gil A., El Mouzdahir Y., Elmchaouri A., Vicente M.A., Korili S.A. Equilibrium and thermodynamic investigation of methylene blue adsorption on thermal- and acid-activated clay minerals. Desalin. Water Treat. 2013. V. 51. Iss. 13-15. P. 2881-288. DOI: 10.1080/19443994.2012.748127.
Pires J., Bestilleiro M., Pinto M., Gil A. Selective adsorption of carbon dioxide, methane and ethane by porous clays heterostructures. Separat. Purificat. Technol. 2008. V. 61. N 2. P. 161-167. DOI: 10.1016/j.seppur.2007.10.007.
Garces S.I., Villarroel-Rocha J., Sapag K., Korili S.A., Gil A. Comparative Study of the Adsorption Equilibrium of CO2 on Microporous Commercial Materials at Low Pressures. Ind. Eng. Chem. Res. 2013. V. 52. N 20. P. 6785-6793. DOI: 10.1021/ie400380w.
Gil A., Trujillano R., Vicente M.A., Korili S.A. Structure Evolution of Co/Alumina-Pillared Clay Catalysts under Thermal Treatment at Increasing Temperatures. Ind. Eng. Chem. Res. 2008. V. 47. N 19. P. 7226-7235. DOI: 10.1021/ ie071320v.
Molu Z.B., Yurdakoc K. Preparation and characterization of aluminum pillared K10 and KSF for adsorption of trimethoprim. Micropor. Mesopor. Mater. 2010. V. 127. N 1-2. P. 50-60. DOI: 10.1016/j.micromeso.2009.06.027.
Xiao Y., He G., Yuan M. Adsorption Equilibrium and Kinet-ics of Methanol Vapor on Zeolites NaX, KA, and CaA and Activated Alumina. Ind. Eng. Chem. Res. 2018. V. 57. N 42. P. 14254-14260. DOI: 10.1021/acs.iecr.8b04076.
Centeno T.A., Stoeckli F. The assessment of surface areas in porous carbons by two model-independent techniques, the DR equation and DFT. Carbon. 2010. V. 48. N 9. P. 2478-2486. DOI: 10.1016/j.carbon.2010.03.020.
Sing K.S.W., Williams R.T. Physisorption Hysteresis Loops and the Characterization of Nanoporous Materials. Ads. Sci.Technol. 2004. V. 22. N 10. P. 773-782. DOI: 10.1260/ 0263617053499032.
Lecloux A., Pirard J.P. The importance of standard isotherms in the analysis of adsorption isotherms for determining the porous texture of solids. J. Colloid Interface Sci. 1979. V. 70. Iss. 2. P. 265-281. DOI: 10.1016/0021-9797(79)90031-6.
Brantley S.L., Mellott N.P. Surface area and porosity of primary silicate minerals. Am. Mineralogist. 2000. V. 85. N 11-12. P. 1767-1783. DOI: 10.2138/am-2000-11-1220.
Broekhoff J.C.P., de Boer J.H. Surface Area Determination. 1969. London: Butterworths. P. 97–119. DOI: 10.1016/B978-0-408-70077-1.50013-0.
Galarneau A., Ville F., Rodriguez J., Fajula F., Coasne B. Validity of the t-plot Method to Assess Microporosity in Hi-erarchical Micro/Mesoporous Materials. Langmuir. 2014. V. 30. N 44. P. 13266-13274. DOI: 10.1021/la5026679.
Polyakov N.S., Petukhova G.A. Extension of the theory of volume filling of micropores to adsorption in supermicropores. Adsorption. 2005. V. 11. P. 357-362. DOI: 10.1007/ s10450-005-5424-7.
