INFLUENCE OF MECHANICAL ACTIVATION ON THE STRUCTURE AND SORPTION PROPERTIES OF HYDROLYTIC LIGNIN, KAOLIN AND COMPOSITES BASED THEREON

Capa
  • Autores: Dabizha O.N.1,2, Bondarevich E.A.3, Ivan'kova E.M.4, Khamova T.V.1, Shilova O.A.1,5
  • Afiliações:
    1. Branch of St. Petersburg Nuclear Physics Institute named after V. N. Konstantinov of National Research Centre "Kurchatov Institute" — Grebenshchikov Institute of Silicate Chemistry
    2. Transbaikal State University
    3. Chita State Academy of Medicine
    4. Branch of St. Petersburg Nuclear Physics Institute named after V. N. Konstantinov of National Research Centre "Kurchatov Institute" — Institute of Macromolecular Compounds
    5. St. Petersburg Electrotechnical University "LETI"
  • Edição: Volume 87, Nº 5 (2025)
  • Páginas: 489–505
  • Seção: Articles
  • ##submission.dateSubmitted##: 02.12.2025
  • ##submission.datePublished##: 15.09.2025
  • URL: https://journals.rcsi.science/0023-2912/article/view/355492
  • DOI: https://doi.org/10.7868/S3034543X25050026
  • ID: 355492

Citar

Texto integral

Acesso aberto Acesso aberto
Acesso é fechado Acesso está concedido
Acesso é fechado Somente assinantes

Resumo

An express method of solvent-free mechanochemistry using fine grinding in air for 3 and 6 minutes in a mill (0.94 kW; 26,000 rpm) is employed to targetedly change in the structure of kaolin and increase its sorption capacity. During the same process, kaolin is modified together with hydrolytic lignin to hydrophobize its surface and improve its sorption properties. The influence of mechanical activation on the structure and properties of kaolin, hydrolytic lignin and their composites based with different component ratios is studied using electron microscopy, X-ray diffraction, infrared spectroscopy, low-temperature nitrogen adsorption and UV absorption spectroscopy. The dense structure of kaolinite remains preserved, hydrogen bonds in hydrolytic lignin are ruptured and the number of carbonyl groups increases, and fragments of natural polymer are grafted to kaolinite. It has been found that an aggregation-agglomeration microstructure is formed in the composites. Kaolin, as well as the composite of kaolin and hydrolytic lignin with a mass ratio of 10 : 1, treated with a mechanical energy dose of 0.83 kJ · g−1, exhibited significant changes in structure and demonstrated relatively high sorption characteristics. The Brunauer-Emmett-Teller specific surface area of this sorbents is ~ 16 m2 · g−1, the adsorption of bovine serum albumin are 83.63 and 44.10 mg · g−1, respectively. Thus, the dry mechanical activation in air under ‘mild’ conditions makes it possible to increase the sorption of bovine serum albumin of kaolin by 104%.

Sobre autores

O. Dabizha

Branch of St. Petersburg Nuclear Physics Institute named after V. N. Konstantinov of National Research Centre "Kurchatov Institute" — Grebenshchikov Institute of Silicate Chemistry; Transbaikal State University

Email: dabiga75@mail.ru
St. Petersburg, Russia; Chita, Russia

E. Bondarevich

Chita State Academy of Medicine

Chita, Russia

E. Ivan'kova

Branch of St. Petersburg Nuclear Physics Institute named after V. N. Konstantinov of National Research Centre "Kurchatov Institute" — Institute of Macromolecular Compounds

St. Petersburg, Russia

T. Khamova

Branch of St. Petersburg Nuclear Physics Institute named after V. N. Konstantinov of National Research Centre "Kurchatov Institute" — Grebenshchikov Institute of Silicate Chemistry

St. Petersburg, Russia

O. Shilova

Branch of St. Petersburg Nuclear Physics Institute named after V. N. Konstantinov of National Research Centre "Kurchatov Institute" — Grebenshchikov Institute of Silicate Chemistry; St. Petersburg Electrotechnical University "LETI"

St. Petersburg, Russia; St. Petersburg, Russia

Bibliografia

  1. Ogbu I.C., Akpomie K.G., Osunkunle A.A., Eze S.I. Sawdust-kaolinite composite as efficient sorbent for heavy metal ions // Bangladesh J. Sci. Ind. Res. 2019. V. 54. № 1. P. 99–110. https://doi.org/10.3329/bjsir.v54i1.40736
  2.  Alkizwini R.S. The use of an organo-kaolinite sorbent in a permeable reactive barrier for remediating groundwater contaminated with methylene blue dye experimental and theoretical investigation // Environ. Process. 2021. V. 8. P. 889–910. https://doi.org/10.1007/s40710-021-00515-1
  3.  Tishin A.N., Krut U.A., Tishina O.M., Beskhmelnitsyna E.A., Yakushev V.I. Physico-chemical properties of montmorillonite clays and their application in clinical practice (review) // Research result: pharmacology and clinical pharmacology. 2017. V. 3. № 2. P. 119–128. https://doi.org/10.18413/2313-8971-2017-3-2-119-128
  4.  Каспржицкий А.С., Лазоренко, Г.И., Кругликов, А.А., Явна В.А., Анизотропия поверхностных свойств каолинита и ее роль при адсорбции молекул воды // Коллоид. журн. 2023. Т. 85. № 2. С. 167–178. https://doi.org/10.31857/S0023291222600596
  5.  Тарасевич Ю.И., Поляков В.Е., Трифонова М.Ю, Микрокалориметрическое исследование взаимодействия воды с поверхностью каолинита, модифицированного полигексаметиленгуанидином // Коллоидный журнал. 2013. Т. 75. № 1. С. 117–120. https://doi.org/10.7868/S0023291213010102
  6.  Golovkova L.P., Markitan O.V. Adsorption of pharmaceuticals by the hydrolysis lignin surface // Chem. Phys. Technol. Surf. 2024. V. 15. № 2. P. 301–310. https://doi.org/10.15407/hftp15.02.301
  7.  Evstigneyev E.I., Zakusilo D.N., Ryabukhin D., Vasilyev A.V. Recent advances in lignins: fundamentals and application // Russ. Chem. Rev. 2023. V. 92. № 8. P. RCR5082. https://doi.org/10.59761/RCR5082
  8.  Kanmaz N., Buğdaycı M., Demirçivi P. Solvent-free mechanochemical synthesis of TiO2-ethyl cellulose biocomposite for adsorption of tetracycline and organic dyes // J. Mol. Liq. 2023. V. 378. P. 121643. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2023.121643
  9.  Juhász A.Z. Aspects of mechanochemical activation in terms of comminution theory // Colloids Surf. A: Physicochem. Eng. Asp. 1998. V. 141. № 3. P. 449–462. https://doi.org/10.1016/S0927-7757(98)00245-3
  10.  Filatova N.V., Kosenko N.F., Badanov M.A. The effect of the mode of heat treatment and mechanoactivation of kaolinite on mullite formation // Tech. Phys. Lett. 2023. V. 25. № 1. P. 81–85. https://doi.org/10.1134/S1063785023700025
  11.  Mañosa J., Calvo-de la Rosa J., Silvello A., Maldonado-Alameda A., Chimenos J.M. Kaolinite structural modifications induced by mechanical activation // Appl. Clay Sci. 2023. V. 238. P. 106918. https://doi.org/10.1016/j.clay.2023.106918
  12.  AlShamaileh E., Alrbaihat M., Moosa I., Abu-Afifeh Q., Al-Fayyad H., Hamadneh I., Al-Rawajfeh A. Mechanochemical preparation of a novel slow-release fertilizer based on K2SO4-kaolinite // Agronomy. 2022. V. 12. № 12. P. 3016. https://doi.org/10.3390/agronomy12123016
  13.  Mako E., Õzе C., The effects of silica fume and diatomaceous earth on the mechanochemical activation and pozzolanic activity of kaolin // Appl. Clay Sci. 2022. V. 228. P. 106636. https://doi.org/10.1016/j.clay.2022.106636
  14.  Machida S., Katsumata K., Yasumori A. Effect of particle size of calcite on the stacking order of kaolinite during mechanical grinding // Int. J. Ceramic. Eng. Sci. 2023. V. 5. № 1. P. e10165. https://doi.org/10.1002/ces2.10165
  15.  Carmody O., Kristóf J., Frost R.L., Makó É., Kloprogge J.T., Kokot S. A spectroscopic study of mechanochemically activated kaolinite with the aid of chemometrics // J. Colloid. Interface Sci. 2005. V. 287. № 1. P. 43–56. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2005.01.060
  16.  Neji A.B., Jridi M., kchaou Hela, Nasri M., Sahnoun R.D. Preparation, characterization, mechanical and barrier properties investigation of chitosan-kaolinite nanocomposite // Polym. Test. 2020. V. 84. P. 106380. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2020.106380
  17.  Zhao X., Zhang Y., Hu H., Huang Z., Yang M., Chen D., Huang K., Huang A., Qin X., Feng Z. Effect of mechanical activation on structure changes and reactivity in further chemical modification of lignin // Int. J. Biol. Macromol. 2016. V. 91. P. 1081–1089. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2016.06.074
  18.  Chistyakov A.V., Tsodikov M.V. Methods for preparing carbon sorbents from lignin (Review) // Russ. J. Appl. Chem. 2018. V. 91. P. 1090–1105. https://doi.org/10.1134/S1070427218070054
  19.  Latypova D.R., Badamshin A.G., Kuleshov S.P., Timashev E.O., Kulnitskiy B.A., Tomilov Yu.V., Nifantiev N.E., Dokichev V.A. New high-efficiency carbon-silica sorbent // Russ. J. Appl. Chem. 2015. V. 88. № 9. P. 1428−1433. https://doi.org/10.1134/S1070427215090074
  20.  Kozhevnikov A.Yu., Semushina M.P., Podrukhina E.A., Kosyakov D.S. Modification of hydrolysis lignin by hydrogen peroxide to obtain an effective adsorbent of highly toxic rocket fuel // Eurasian Chem-Technol. J. 2017. V. 19. № 2. P. 155–161. https://doi.org/10.18321/ectj646
  21.  Sudakova I.G., Levdansky A.V., Kuznetsov B.N. Methods of chemical and thermochemical processing of hydrolytic lignin // J. Sib. Fed. Univ. Chem. 2021. V. 14. № 2. P. 263–275. https://doi.org/10.17516/1998-2836-0236
  22.  Samonina V.V., Khrylova E.D., Spiridonova E.A., Podvyaznikov M.L. Porous structure and krypton sorption capacity of carbon sorbents prepared from a composite of hydrolytic lignin and phenol-lignin-formaldehyde // Russ. J. Phys. Chem. 2022. V. 96. P. 391–396. https://doi.org/10.1134/S0036024422020236
  23.  Bogdanovich N., Arkhilin M., Menshina A., Kuznetsova L., Kanarskii A., Voropaeva N., Figovsky O. Magneto susceptible adsorbents obtained by thermochemical activation of hydrolytic lignin with iron (III) hydroxide // Chem. Chem. Technol. 2017. V. 11. № 2. P. 209–213. https://doi.org/10.23939/chcht11.02.209
  24.  Sverdlova N.I., Vinogradova L.E., Shtyagina L.M., Sazanov Yu.N. Receiving the composite fibrous sorbents based on hydrolytic lignin and polyacrylonitrile // Fiber. Chem. 2018. V. 50. № 2. P. 206–208. https://doi.org/10.1007/s10692-018-9961-8
  25.  Nikolenko Yu., Tsvetnikov A., Ustinov A., Silant’ev V., Kuryavyi V., Ziatdinov A. Hydrolytic lignin: It's activated and fluorinated forms // Key Eng. Mater. 2019. V. 806. P. 100–105. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.806.100
  26.  T syganova S.I., Fetisova Yu.O., Velikanov D.A., Taran O.P. Structural, magnetic and electrochemical characteristics of Ni/C composites fabricated from modified hydrolytic lignin // Mater. Lett. 2023. V. 352. P. 135120. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2023.135120
  27.  Mucha M., Maršálek R., Bukáčková M., Zelenková G. Interaction among clays and bovine serum albumin // RSC Adv. 2020. V. 10. № 72. P. 43927–43939. https://doi.org/10.1039/d0ra01430c
  28.  Dabizha O.N., Khamova T.V., Shilova O.A. Mechanochemical modification of zeolite rocks with polyvinyl alcohol for increasing their oil sorption capacity // Inorg. Mater. 2022. V. 58. № 12. P. 1335–1347. https://doi.org/10.1134/S0020168522120068
  29.  Bondarevich E.A., Dabizha O.N. Adsorption activity of polyphepan-kaolin mechanocomposites towards inorganic ions // Chem. Plant Raw Mater. 2024. V. 4. P. 416–426. https://doi.org/10.14258/jcprm.20240414043 (in Russian)
  30.  Audu I.G., Ziegler-Devin I., Winter H., Bremer M., Hoffmann A., Fischer S., Laborie M-P., Brosse N. Impact of ionic liquid 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate mediated extraction on lignin features // Green Sustainable Chem. 2017. V. 7. № 2. P. 114–140. https://doi.org/10.4236/gsc.2017.72010
  31.  Vaculíková L., Plevová E., Vallová S., Koutník I. Characterization and differentiation of kaolinites from selected Czech deposits using infrared spectroscopy and differential thermal analysis // Acta Geodyn. Geomater. 2011.  V. 8. № 1. P. 59–67.
  32.  Hinckley D.N. Variability in “crystallinity” values among the kaolin deposits of the coastal plain of Georgia and South Carolina // Clays Clay Miner. 1962. V. 11. P. 229–235. https://doi.org/10.1346/CCMN.1962.0110122
  33.  Кhoirunnisa W., Nur M.I., Widyarti S., Permana S., Sumitro S.B. Physiologic glycated-bovine serum albumin determination using spectrum-UV // J. Phys. Conf. Series. 2019. 1241. P. 012003. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1241/1/012003
  34.  N’Guessan N.E., Joussein E., Courtin-Nomade A., Paineau E., Soubrand M., Grauby O., Robin V., Cristina C.D., Vantelon D., Launois P., Fondan`eche P., Rossignol S. Texier-Mandoki N., Bourbon X. Role of cations on the dissolution mechanism of kaolinite in high alkaline media // Appl. Clay Sci. 2021. 205. P. 106037. https://doi.org/10.1016/j.clay.2021.106037
  35.  Liang X., Li Q., Fang Y. Preparation and characterization of modified kaolin by a mechanochemical method// Materials. 2023. V. 16. № 8. P. 3099. https://doi.org/10.3390/ma16083099
  36.  Kwon S., Hwang H., Lee Y. Effect of pressure treatment on the specific surface area in kaolin group minerals // Crystals. 2019. V. 9. № 10. P. 528. https://doi.org/10.3390/cryst9100528
  37.  Long J., Xu Y., Wang T., Shu R., Zhang Q., Zhang X., Fu J., Ma L. Hydrothermal depolymerization of lignin: understanding the structural evolution // BioResources. 2014. V. 9. № 4. P. 7162–7175. https://doi.org/10.15376/biores.9.4.7162-7175
  38.  Sachan A., Penumadu D. Identification of microfabric of kaolinite clay mineral using X-ray diffraction technique // Geotech. Geol. Eng. 2007. V. 25. P. 603–616. https://doi.org/10.1007/s10706-007-9133-8
  39.  Saber M., Hamdaoui L.E., Moussaouiti M.E., Tabyaoui M. Extraction and characterization of lignin from moroccan thuya. Its application as adsorbent of methylene blue from aqueous solution // Cellulose Chem. Technol. 2022. V. 56. № 1–2. P. 69–81. https://doi.org/10.35812/CelluloseChemTechnol.2022.56.06
  40.  Mihajlović S.R., Vlahović M.M., Vušović N.M,. Đorđević N.G., Jovanović M.N. Effect оf delamination оn physico-chemical properties оf kaolin // Sci. Sinter. 2021. V. 53. № 2. P. 253–266. https://doi.org/10.2298/SOS2102253M
  41.  Leonel E.C., Nassar E.J., Ciuffi K.J., dos Reis M.J., Calef P.S. Effect of high-energy ball milling in the structural and textural properties of kaolinite // Cerâmica. 2014. V. 60. № 354. P. 267–272. https://doi.org/10.1590/S0366-69132014000200016
  42.  Hergert H.L. Infrared spectra of lignin and related compounds. II. Conifer lignin and model compounds1, 2 // J. Org. Chem. 1960. V. 25. № 3. P. 405–413. https://doi.org/10.1021/jo01073a026
  43.  Po H., Savitskaya T., Reznikov I., Hrynshpan D., Tsygankova N., Telysheva G., Arshanitsa A. Hydrolysis lignin as a sorbent and basis for solid composite biofuel // Adv. Biosci. Biotechnol. 2016. V. 7. № 11. P. 501–530. http://dx.doi.org/10.4236/abb.2016.711046
  44.  Adler E. Lignin chemistry – past, present and future // Wood Sci. Technol. 1977. V. 11. № 3. P. 169–218. https://doi.org/10.1007/bf00365615
  45.  Sui W., Pang T., Wang G., Liu C., Parvez A.M., Si C., Li C. Stepwise ethanol-water fractionation of enzymatic hydrolysis lignin to improve its performance as a cationic dye adsorbent // Molecules. 2020. V. 25. № 11. P. 2603. https://doi.org/10.3390/molecules25112603
  46.  Yan C., Cheng T., Shang J. Effect of bovine serum albumin on stability and transport of kaolinite colloid // Water Research. 2019. V. 155. P. 204–213. https://doi.org/10.1016/j.watres.2019.02.022
  47.  Zahedifar M., Castro F., Ørskov E. Effect of hydrolytic lignin on formation of protein–lignin complexes and protein degradation by rumen microbes // Anim. Feed. Sci. Technol. 2002. V. 95. № 1–2. P. 83–92. https://doi.org/10.1016/s0377-8401(01)00305-4

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
Baixar

Declaração de direitos autorais © Russian Academy of Sciences, 2025

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».