Acid-base properties of silicon-containing compounds isolated from horsetails (Equisetum Equisetaceae)

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The results of a study into the acid-base surface properties of four silicon-containing ash samples obtained from the above-ground part of the field horsetail plant species (E. arvense L.) are presented. The samples were derived according to various schemes, comprising oxidative roasting both with and without preliminary treatments involving water and solutions of hydrochloric acid having a concentration of 0.1 and 1.0 mol/l. It was shown that the content of silicon dioxide in the samples varies from 33 to 98 % depending on the conditions of processing of raw materials. Preliminary processing of the raw material with an acid solution prior to roasting results in the formation of ash having a high silicon oxide content. The main impurity elements are calcium, potassium, magnesium, aluminum and iron. Samples prepared without preliminary treatment, as well as those treated with water, are characterised by a large amount of alkaline earth metal- and potassium oxides. A comparative characteristic of the surface condition of the obtained ash samples is given using pH measurements and the Hammett acidity function method. The pH measurements allow the integral acidity of the surface to be evaluated, while the Hammett method, based on the selective adsorption of acid-base indicators, is used to study the distribution of surface centres by acid-base properties. The pH values of the aqueous suspensions of neutral, alkaline or acidic samples are determined depending on the plant tissue processing scheme. It was found that the surface of the samples is characterised by the presence of Lewis acid- (pKa +16.8), Brønsted basic- (pKa +7.15; +9.45) and acid- (pKa +2.5) active sites, the amount of which is determined by the composition of the samples. The high content of Lewis acid sites in the ash is associated with silicon atoms. The number of Bronsted sites depends on the horsetail treatment scheme. On the surface of samples obtained by oxidative roasting and those pretreated with water, the number of Brønsted active sites at pKa +2.5 and pKa +9.45 is higher compared to ash isolated following hydrolysis with hydrochloric acid. A comparative characteristic of the distribution curves of acid-base centres of silicon-containing ash samples obtained from the above-ground parts of field horsetail and rice straw is given, indicating their similarity.

About the authors

O. D. Arefieva

Far Eastern Federal University; Institute of Chemistry FEB RAS

Email: arefeva.od@dvfu.ru

P. D. Pirogovskaya

Far Eastern Federal University; Institute of Chemistry FEB RAS

Email: borisova_pd@students.dvfu.ru

L. A. Zemnukhova

Far Eastern Federal University

Email: zemnukhova@ich.dvo.ru

A. V. Kovekhova

Far Eastern Federal University; Institute of Chemistry FEB RAS

Email: kovekhova.av@dvfu.ru

References

  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.. 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.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).