 |
"In situ" structural study of environmental adsorbents with non-conventional NMR methods
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
135169 |
| Type |
PD |
| Principal investigator |
Kéri, Mónika |
| Title in Hungarian |
Környezeti adszorbensek "in situ" szerkezeti jellemzése nem szokványos NMR módszerekkel |
| Title in English |
"In situ" structural study of environmental adsorbents with non-conventional NMR methods |
| Keywords in Hungarian |
adszorbens, porózus anyag, NMR szerkezet és dinamika |
| Keywords in English |
adsorbent, porous material, NMR structure and dynamics |
| Discipline |
| Colloid Chemistry (Council of Physical Sciences) | 50 % | | Structural Determination Methods (Council of Physical Sciences) | 30 % | | Material Science and Technology (chemistry) (Council of Physical Sciences) | 20 % |
|
| Panel |
Chemistry 1 |
| Department or equivalent |
Department of Physical Chemistry (University of Debrecen) |
| Starting date |
2020-09-01 |
| Closing date |
2023-08-31 |
| Funding (in million HUF) |
25.287 |
| FTE (full time equivalent) |
2.40 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A kutatás témája olyan szén és szilikát vázú porózus anyagok vizsgálata, melyek a felszíni vizekben, talajokban szennyezőanyagok adszorbeálására szolgálhatnak. A cél az adszorbensek alkalmazás körülményei között, tehát folyadék közegben való jellemzése, szerkezetük, szilárd-folyadék határfelületi kölcsönhatásaik vizsgálata, valamint a nedvesedés során bekövetkező változások követése. A szén alapú adszorbensek alapvetően hidrofób sajátságú anyagok, de tartalmazhatnak hidrofil helyeket a vázszerkezetben. Ez alkalmassá teszi őket apoláris molekulák (szerves oldószerek, olajszármazékok) megkötésére, akár vizes közegből is. A szilikát vázú agyagásványoknak réteges szerkezetük révén nagy az adszorpciós kapacitása és duzzadóképessége. Agyagos talajokban, vagy hulladéklerakók szigetelőanyagaként szennyezőanyagok megkötésére képesek. A munkám során különböző szén aerogéleket és grafén alapú anyagokat, valamint Na-, Ca-montmorillonitok és azok módosított verzióit különböző polaritású folyadékban szuszpendálom, változó folyadékmennyiség mellett. Az alkalmazott nem-szokványos NMR módszerekkel (krioporozimetria, relaxometria, diffúziometria, NMR-MOUSE) képet kaphatunk a nedvesedés mechanizmusáról, a pórusméretről és –geometriáról, annak megváltozásáról, illetve az oldószer mozgásáról, így új irányból közelíthető a pórusos struktúrák jellemzése. Célom a különböző NMR módszerek optimálása az alkalmazott kolloid rendszerekre, és összevetése a hagyományos mérési módszerek eredményeivel. A négy módszerrel kapott eredmények együttes értelmezésével tovább javítható, hangolható lehet ezen anyagok szintézise, módosítása a környezetszennyező vegyületek minél hatékonyabb eltávolítása céljából.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A kutatás kiinduló hipotézise, hogy a szilárd anyagok esetén a gáz-szilárd és a folyadék-szilárd határfelület jellege eltérő képet ad. A nagy fajlagos felületű pórusos adszorbensek esetében a hagyományos vizsgálati módszerek (nitrogén gáz adszorpció-deszorpció, mikroszkópos technikák) gáz fázisban jellemzik a morfológiát, azonban az alkalmazás szempontjából igen fontos a szerkezet folyékony közegben való vizsgálata, és az eredmények összehasonlítása. Irodalmi és kísérleti tapasztalataink alapján a jól megválasztott folyadék mágneses rezonancia viselkedése jól tükrözi a pórusos struktúra megváltozását. A tervezett kutatás ez alapján az alábbi kérdésekre ad választ:
- Megváltozik-e a szerkezet morfológiája, összetétele az alkalmazás körülményei között? Erre elsősorban a krioporozimetriás mérések adnak választ, de a relaxációs idő és a diffúzió gátlás mértéke is függ a pórusok méretétől.
- Hogyan viselkedik a szilárd felület nedvesedés során, mennyire hidrofób vagy hidrofil a karaktere? Erre a T2 relaxációs kísérletek adnak választ, akár különböző polaritású oldószerek esetén elvégzett kísérletekből. NaCl-oldattal való feltöltés esetén a nátriumionok kvadrupólus relaxációs sebességéből is következtethetünk a hidrofil csoportok számára.
- Hogyan mozog a folyadék a porózus struktúrában? A diffúziómérések megadják az oldószer-molekulák (gátolt) sajátdiffúzióját, rámutatnak a szerkezet átjárhatóságára, és félig töltött pórusok esetén a gőzdiffúzió is detektálható.
- A kapott információk alapján módosítható-e az adszorpciós tulajdonság? A különböző módszerekkel egy olyan összképet kapunk a vizsgált anyagról, amely alapján javítható a gyakorlati alkalmazhatóság.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A kutatás nagy fajlagos felületű pórusos adszorbensek szilárd-folyadék határfelületi kölcsönhatásait és nedvesedését, a morfológia változását vizsgálja. A vizes közegben végbemenő lehetséges szerkezeti változásokra és az oldószerrel való kölcsönhatásra a mikro- és mezopórusok méret-meghatározására alkalmazott hagyományos módszerek egyike sem ad választ, pedig az adszorbens hidrofil/hidrofób karaktere meghatározza az adszorpciós kapacitást, és befolyásolja az adszorbeátum pórusokba való bejutását is. A kísérletek jelentősége kétirányú: amit és ahogyan vizsgálunk.
A vizsgált adszorbensek kiválasztása aktuális környezetvédelmi problémákhoz köthető: egyrészt környezetünkben előforduló talajalkotó agyagásványok és azok módosított formái, melyeket hulladéklerakók szigetelő anyagaként használnak és nagy aktivitású hulladékok mélygeológiai tárolása céljából kutatnak; másrészt olyan mesterségesen előállított, de környezetben alkalmazható szénalapú porózus struktúrák, melyek hidrofób felületük révén szerves szennyezők megkötésére képesek, és degradációjuk környezeti terhelést nem okoz.
A vizsgálati módszerek, a mágneses magrezonancia (NMR) spektroszkópia olyan technikái, melyeket hazánkban elvétve használnak, és a nemzetközi szakirodalom is ritkán említi együttes alkalmazásukat: (i) a NMR-krioporozimetria a folyadékkal feltöltött pórusok geometriáját és méretét hivatott leírni; (ii) a diffúziometria során a pórusokban mérjük a folyadék (gátolt) sajátdiffúzióját és a szerkezet permeábilitását; (iii) a relaxometria képes különbséget tenni a mintában lévő különböző állapotú (felülethez kötött illetve pórust kitöltő) folyadékmolekulák között azok relaxációs ideje alapján; (iv) míg az NMR MOUSE (Mobile Universal Surface Explorer) a minta előkészítés nélküli vizsgálatát teszi lehetővé. Ezen módszerek párhuzamos alkalmazásával komplex jellemzés adható a vizsgált rendszerről, az eredmények hagyományos technikákkal való összevetése pedig megsokszorozza a kinyert információt, és megkönnyíti az értelmezést is.
A kutatás távolabbra kiható jelentősége, hogy a megszerzett tapasztalatok, kidolgozott módszerek a környezetvédelem perspektívája mellett akár élelmiszerek, kozmetikumok, bőrfelület, stb. vizsgálatát is megalapozhatják.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Korunk egyik legfontosabb kihívása a környezetünk védelme. Számos szennyezőanyag megtalálható a természetes vizekben, talajokban, melyek eltávolítása nem egyszerű feladat. Megoldást jelenthet a szennyező anyagok (szerves oldószer molekulák, halogénezett szénhidrogének, kőolajszármazékok, radioaktív izotópok, stb.) megkötése pórusos anyagok segítségével. Az utóbbi években kedvelt „nanoanyagok” szerkezete mikro- vagy nanométeres pórusokat tartalmaz, az így létrejövő nagy elérhető felület kifejezetten alkalmassá teszi őket a különböző anyagok megkötésére. A környeztünkben is előforduló pórusos anyagok, ilyenek a talajalkotó agyagásványok, melyeket a hulladéklerakók szigetelése során is alkalmaznak. A mesterségesen előállított szén alapú nanorendszerek (grafén-oxidok, pórusos szenek, szén aerogélek) szerkezete az előállítás során hangolható, szénvázuk révén a szerves szennyezőket megkötik, így kitűnő környezeti adszorbensként szolgálnak. A pórusos anyagok alkalmazása többnyire folyadék (vizes) közegben történik, így elengedhetetlen a szilárd anyag és a folyékony közeg kölcsönhatásának vizsgálata, a szilárd anyag pórusszerkezetének az alkalmazás körülményei között való jellemzése, szerves szennyezőkkel való felületi reakcióiknak leírása. A kutatás célja a pórusos anyagok és azok közeggel való kölcsönhatásának átfogó jellemzése nem szokványos mágneses magrezonanciás módszerek alkalmazásával. Az eredmények választ adhatnak az agyagásványok szennyezés megkötő tulajdonságának megváltozására különböző körülmények mellett, és segíthetnek olyan új anyagok fejlesztésében, amelyek hatékonyan alkalmazhatóak a már megvalósult környezetszennyezés csökkentésére.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The topic of the research is the study of carbon- and silicate-based porous materials that can serve for the adsorption of contaminants in natural water bodies or soils. The goal is to characterize the adsorbents under the circumstances of the applications, i.e. in liquid medium, describe their structure and their solid/liquid interfacial interactions as well as to follow the structural changes in the wetting process. Carbon based adsorbents have basically hydrophobic properties, but they can possess hydrophilic groups on the skeleton. This makes them appropriate for adsorbing non-polar molecules (organic solvents, petroleum fractions) even from aqueous medium. The silicate-based clay minerals have high adsorption capacity and swelling property due to their layered structure. In clayey soils or insulator of dumping grounds they are able to bind contaminants. In my research I suspend carbon aerogels and graphene-oxides, as well as Na-, Ca-montmorillonites and their modified versions in liquids of different polarity, by varying liquid content. With the applied unusual NMR methods (cryoporometry, relaxometry and diffusiometry, NMR-MOUSE) we can get information about their wetting mechanism, pore structure and its potential change, as well as the diffusion of the liquid, thus we can give a new direction to the structural characterization of porous media. My aim is to optimize the NMR methods for the applied colloid systems as well and compare the results with conventional methods. With the comprehensive evaluation of the results from the four methods we can further tune the synthesis and the modification of these materials to obtain more effective removal of the contaminants.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The hypothesis of the research is that the character of gas-solid and fluid-solid interface is basically different. In the case of porous adsorbents the conventional methods (nitrogen gas adsorption-desorption, microscopic techniques) describe the morphology in gas phase, however, from application point of view it is essential to study the behavior of the structure in liquid medium and the comparison of the results. According to our literature and experimental experiences the magnetic resonance behavior of a well-chosen probe liquid can reflect the change of the porous structure. Thus the planned research gives answer for the following questions:
─Does the morphology and the composition change under the circumstances of application? Firstly the cryoporometry gives the answer, but the relaxation time and the rate of restriction in diffusion are also dependent on the pore size.
─How does the solid surface behave by wetting, how much is it hydrophobic or hydrophilic? T2 relaxation measurements of liquids of different polarity can solve these questions. When filling the pores with NaCl solution the quadrupole relaxation rate of Na-ions can refer to the number of hydrophilic functional groups.
─How does the liquid move in the porous structure? Diffusion measurements determine the (restricted) self-diffusion coefficients of solvent molecules, indicate the permeability of the structure, and also vapor-phase diffusion can be detected in partially filled samples.
─Is it possible to modify the adsorption properties on the basis of the gained information? We get a general aspect about the studied material, through which the applicability can be improved.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The research studies the solid-liquid interfacial interactions, the wetting and the morphological change of porous adsorbents with high specific surface. Conventional methods for the size-determination of micro- and mesopores do not give information on the probable morphological changes in liquid medium and the interaction with the liquid, however, the hydrophilic or hydrophobic character of the adsorbent determines the adsorption capacity. The importance of the experiments has two directions: the samples we study, and the technique we use.
The adsorbents were chosen with the consideration of environmental problems: on the one hand clay minerals as naturally occurring porous materials in the soil and their modified versions, which are applied for the insulation of dumping-grounds and studied as containers for longlived radioactive wastes; on the other hand artificially synthesized carbon-based nanosystems, which can be applied in our natural environment, are able to adsorb organic pollutants due to their hydrophobic backbone, and do not load the environment by their degradation.
The applied methods are nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopic techniques, which are seldom used in our country, and rarely used together for comprehensive characterization internationally: (i) NMR cryoporometry is for the description of the geometry and size of pores filled with liquid; (ii) by diffusiometry we are able to measure the (restricted) self-diffusion of a liquid inside the pores and the permeability of the structure; (iii) relaxometry differentiates the states of liquid molecules (e.g. bound to the surface or filling the pores) according to their relaxation time; (iv) while the NMR MOUSE (Mobile Universal Surface Explorer) makes the completely non-destructive characterization of the sample possible. With the parallel use of these techniques a complex characterization can be given about the studied system, while the comparison of results with conventional methods can multiply the gained information and facilitate the explanation.
Further importance of the research is that the experiences, elaborated methods can be a basis for the study of food, cosmetics, skin, etc. beside environmental protection.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
One of the most relevant topics of nowadays is environmental protection. Numeral pollutants are present in natural water bodies, soils, the removal of which is not an easy task. A possible solution is the adsorption of pollutants (organic solvents, halocarbons, petroleum fractions, radioactive isotopes, etc.) with porous materials. The structure of the “nanomaterials”, popular in the last years, contains micro- or nanopores, thus the formed high accessible surface area make them especially appropriate for the adsorption of different components. The soil-forming clay-minerals are good examples of naturally occurring porous materials, which are applied even for the insulation of dumping-grounds. The structure of artificially synthesized carbon-based nanosystems (porous carbons, carbon aerogels) can be tuned by the synthesis conditions. They are able to adsorb organic pollutants due to their carbon backbone, thus they serve as excellent environmental adsorbents. The application of porous materials mainly occurs in liquid (aqueous) medium, thus it is essential to properly investigate the interaction between the solid material and the liquid phase, describe the structure of the solid under the circumstances of the application and characterize the surface reactions with the organic contaminants. The aim of the project is the comprehensive characterization of porous materials and their interaction with the medium with the use of unusual nuclear magnetic resonance methods. Results can show the change in adsorption capacity of clay minerals under different circumstances, and can help to develop new materials that can be effectively applied for decreasing environmental pollution.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Papp Vanda, Janovics Róbert, Kertész Tamás Péter, Nemes Zoltán, Fodor Tamás, Bányai István, Kéri Mónika: State and role of water confined in cement and composites modified with metakaolin and additives, JOURNAL OF MOLECULAR LIQUIDS 388: 122716, 2023 | | Nyul Dávid, Novák Levente, Kéri Mónika, Bányai István: A Simple Elimination of the Thermal Convection Effect in NMR Diffusiometry Experiments, MOLECULES 27: (19) p. 6399., 2022 | | Kéri Mónika, Nagy Balázs, László Krisztina, Bányai István: Structural changes in resorcinol formaldehyde aerogel seen by NMR, MICROPOROUS AND MESOPOROUS MATERIALS 317: 110988, 2021 | | Wylie Luke, Kéri Mónika, Udvardy Antal, Hollóczki Oldamur, Kirchner Barbara: On the rich chemistry of pseudo‐protic ionic liquid electrolytes, CHEMSUSCHEM 16: e202300535, 2023 | | Kéri Mónika, Nyul Dávid, László Krisztina, Novák Levente, Bányai István: Interaction of resorcinol-formaldehyde carbon aerogels with water: A comprehensive NMR study, CARBON 189: pp. 57-70., 2022 | | Váradi Balázs, Lihi Norbert, Bunda Szilvia, Nagy Antónia, Simon Gréta, Kéri Mónika, Papp Gábor, Tircsó Gyula, Esteban-Gómez David, Platas-Iglesias Carlos, Kálmán Ferenc K.: Physico-Chemical Characterization of a Highly Rigid Gd(III) Complex Formed with a Phenanthroline Derivative Ligand, INORGANIC CHEMISTRY 61: (34) pp. 13497-13509., 2022 | | Kéri Mónika, Bányai István, László Krisztina: NMR spektroszkópiás módszerek pórusos szenek morfológiájának jellemzésére, MTA Kolloidkémiai Munkabizottság 2021. novemberi Munkabizottsági ülése, 2021 | | Kéri Mónika: NMR alkalmazások másképpen, MTA Koordinációs Kémiai Munkabizottság 2021. decemberi Munkabizottsági ülése, 2021 | | Mónika Kéri, Dávid Nyul, Vanda Papp, Levente Novák, István Bányai: Structure and properties of carbon aerogels by NMR, Alpine NMR Workshop, Slovenia, Bled, 2021.09.16-20., 2021 | | Mónika Kéri, Dávid Nyul and István Bányai: Application of NMR relaxation methods for colloids and interfaces, Chemistry Physics and Biology of Colloids and Interfaces 2022 Conference, Hungary, Eger 2022.06.06-10., 2022 | | V. Papp, R. Janovics, Z. Nemes, I. Bányai and M. Kéri: NMR characterization of cement binders related to the radioactive waste conditioning, Chemistry Physics and Biology of Colloids and Interfaces 2022 Conference, Hungary, Eger 2022.06.06-10., 2022 | | D. Nyul, M. Kéri and I. Bányai: The effect of ionic liquid on the morphology and surface properties of RF carbon aerogels by NMR, Chemistry Physics and Biology of Colloids and Interfaces 2022 Conference, Hungary, Eger 2022.06.06-10., 2022 | | Kéri Mónika, Nagy Balázs, László Krisztina, Bányai István: Structural changes in resorcinol formaldehyde aerogel seen by NMR, MICROPOROUS AND MESOPOROUS MATERIALS 317: 110988, 2021 | | Kéri Mónika, Nyul Dávid, Papp Vanda, Bányai István: Porózus szilárd anyagok NMR jellemzése, Magyar NMR Munkabizottság 2020. évi Munkabizottsági ülése, 2020 | | Bányai István Kéri Mónika, Nyul Dávid: NMR egy kicsit másképpen. A mágneses magrezonancia egyéb aspektusai, érdekességei, Radiokémiai alkalmazások a 21. században II. rész: Anyagvizsgálat sugárzással c. munkabizottsági ülése, 2021 | | Papp Vanda, Janovics Róbert, Nemes Zoltán, Kéri Mónika: Víz a hulladéktárolóban? Avagy a rehidratáció hatása a cementkő mátrixok szerkezetére, II. FKF (Fiatal Kémikusok Fóruma) Szimpózium, 2021 | | Mónika Kéri, Dávid Nyul, Vanda Papp, Levente Novák, István Bányai: Application of NMR relaxation methods for aerogels and other porous materials, Workshop on Aerogels Characterization and Modelling 29-31.03.2023, 2023 | | Kéri Mónika, Nyul Dávid, Papp Vanda, Novák Levente, Bányai István: Porózus anyagok jellemzése NMR relaxációs módszerekkel, MKE 4. Nemzeti konferencia, 2023 | | Kéri Mónika, Papp Vanda, Janovics Róbert, István Bányai: RADIOAKTÍV HULLADÉKOK ELHELYEZÉSÉHEZ KAPCSOLÓDÓ CEMENT MÁTRIXOK SZERKEZETI VIZSGÁLATA NMR MÓDSZEREKKEL, 10. Környezetkémiai Szimpóium, 2022 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
