Международный
научный журнал

Номера журнала

Синтез и физико-химические свойства анионобменного сорбента на основе поливинилхлорида


Synthesis and physicochemical properties of anion exchange sorbent on the basis of polyvinyl chloride

Цитировать:
Бекчанов Д.Ж., Сагдиев Н.Ж., Мухамедиев М.Г. Синтез и физико-химические свойства анионобменного сорбента на основе поливинилхлорида // Universum: Химия и биология : электрон. научн. журн. 2016. № 10(28). URL: http://7universum.com/ru/nature/archive/item/3714 (дата обращения: 13.11.2018).
 
Прочитать статью:

Keywords: polyvinyl chloride; polyethylene polyamine; modification; physicochemical properties; anion exchange resin; chemi-sorption; dichromate ions

АННОТАЦИЯ

Взаимодействием гранулированного поливинилхлорида с полиэтиленполиамином синтезирован новый анионит. Определены его физико-химические параметры. На примере сорбции ионов Cr(VI) изучены анионообменные свойства полученного ионита. При испытании данного сорбента в технологических условиях было установлено, что он не теряет своих сорбционных свойств при десятикратном использовании.

ABSTRACT

A new anion exchanger was synthesized by the reaction of granulated polyvinyl chloride (PVC) with polyethylene polyamine. The physicochemical parameters of the sorbent were determined. Anion-exchange properties of the newly synthesized ion exchanger were studied by the sorption of Cr(VI) ions. It was found that it does not lose its sorption properties even at tenfold use in the test of the sorbent in technological conditions.

 

Введение

Проблема очистки технологических сточных вод, содержащих в себе высокотоксичные и дорогостоящие соли шестивалентного хрома, вызывает трудности у для многих предприятий производящих или использующих эти соли. Загрязнение водных объектов соединениями хрома обусловлено их выносом со сточными водами текстильных и кожевенных фабрик, а также химических производств, занимающихся переработкой хромитовых руд [1]. Большинство машиностроительных предприятий имеют в своем составе гальванические цеха или технологические участки нанесения гальванопокрытий [2, 3, 8]. Гальванические производства являются одними из крупных потребителей цветных металлов и воды и отличаются высокими объемами жидких отходов. К наибольшему загрязнению природных вод, соеди­нениями хрома, приводит недостаточно тщательная очистка промывных вод цехов и участков хромирования.

Ионообменные сорбенты широко используются в гидрометаллургии, очистке сточных вод от ионов тяжёлых металлов и др. К их числу относятся аниониты, которые применяются в химической промышленности [6, 7] при водоподготовке.

Целью данной работы является синтез нового анионита модификацией гранулированного поливи­нил­хлорида (ПВХ) полиэтиленполиамином (ПЭПА), изучение его физико-химических и сорбционных свойств.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для синтеза сорбента использовали поливинил­хлорид пластикат и полиэтиленполиамин. На начальном этапе поливинилхлорид модифици­ровался полиэтиленполиамином при 800С в течении 2 часов. Затем полученое вещество нагревали в герметичных условиях в течение 3 часов при 1400С. Полученный полимер отфильтровывали, промывали деионизированной водой и сушили до постоянной массы. Синтезированный носитель имел стати­ческую объемную емкость по HCI равную 5,38 мг-экв/г.

Для изучения сорбционных свойств синтезиро­ванного носителя навеску 0,2 г сорбента помещали в 50 мл раствора дихромата аммония различной концентрации. Содержание ионов до и после сорбции определяли спектрофотометрическим мето­дом. Для этого был разработан спектрофото­метрический метод определения ионов бихромата из искусственных растворов. Анализ проводили на Микропланшетном ридере Enspire Perkin Emler (USA) при длине волны 540 нм. ИК- спектры регистрировали на Specord IR – 75 (Германия) ИК- спектрометре

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Синтез и анализ сорбента

Из литературных источников известно, что модификация поливинилхлорида аминами протекает в очень жёстких условиях. При использовании низкомолекулярных летучих аминов процесс протекает при очень высоком давлении, требующем специального оборудования. Поэтому мы синтези­ровали новый сорбент модификацией поливинил­хлорида высокомолекулярным нелетучим амином - полиэтиленполиамином. В результате был получен  анионообменный сорбент [5].

Схема реакции получения анионита имеет следующий вид:

Для изучения состава полученого анионита был изучен его элементный состав. Полученные результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Количественный анализ элементов в анионите ППЭ-1

Сорбент

Результаты элеменого анализа, %

С

Н

СI

N

ППЭ-1

69,59

8,84

14,47

7,1

Из таблицы 1 видно, что в полученном соединении присутсвуют атомы азота, придающие сорбенту анионообменные свойства. Степень превра­щения, расчитанная по элементному составу, составляет 55%, что соответствует её значению найденному по СОЕ.

Для идентификации строения полученного анионита были проведены ИК- спектроскопические исследования. На рис. 1-2 представлены ИК- спектры исходного полимера и полученного анионита.

 

Рисунок 1. ИК- спектр поливинилхлорида

Рисунок 2. ИК- спектр анионита ППЭ-1

Как видно из рисунков 1 и 2 на ИК - спектрах ПВХ, модифицированного полиэтиленполиамином, наблюдается уменьшение полос поглощения в области 609 - 744 см-1 соответствующие валентным колебаниям групп С-Cl, это свидетельствует об уменьшении количественного содержания этих групп в макромолекуле. В их спектрах появляются полосы деформационных колебаний N-H (1460-1570 см-1) и валентных колебаний С-N связей (1070-1290 см-1), что свидетельствует о химическом взаимодействие ПВХ с полиэтиленполиамином [4].

Физико-химические свойства полученного анионобменного сорбента (ППЭ-1) определены в Центральной заводской лаборатории АО “MAXAM-CHIRCHIQ”.

В таблице 2 представлен сравнительный анализ физико-химических свойств сорбента ППЭ-1 с  аналогичным зарубежным анионитом АН-31.

Таблица 2.

Физико-химические характеристики анионитов марки АН-31 и ППЭ-1

Наименование показателя

Норма для марки и сорта

АН-31

ППЭ-1

Внешний вид

Зерна желтого цвета

Зерна коричневого цвета

Гранулометрический состав:

а) размер зерен, мм.

б) коэффициент однородности.

0,4 – 2,0

0,3

0,4 – 2,0

0,3

Содержание влаги в сухом состоянии %.

5

4,7

Удельный объем в –ОН- форме см3/г.

3,3±0,2

3,04±0,2

Полная статическая объемная емкость, мг-экв/мл.

2,60

2,50

Динамическая обменная емкость, г ∙ экв/м3.

1280

1350

Осмотическая стабильность, %

85,0

90,0

Механические прочность, %.

90-95

90-98

Ионная форма

Хлоридная

Хлоридная

Как видно из таблицы 2, значения динамической обменной емкости и осмотической стабильности полученного нового анионита на основе поливи­нилхлорида (ППЭ-1), сопоставимы с параметрами используемого в промышленной водоподготовке сорбента АН-31.

Сорбция хромат ионов полученным анионитом

С целью определения сорбционной способности анионита ППЭ-1 изучена сорбция ионов Cr(VI) из растворов дихромата аммония в статических условиях.

Рисунок 3. Кинетика сорбции ионов Cr(VI) ионитом ППЭ-1. 1, 2, 3, 4- исходная концентрация дихромата 50; 25; 10; 7,5 ммоль/л, соответственно, температура-313К

Из рисунка 3 видно, что с увеличением исходной концентрации соли бихромата повышается коли­чество сорбируемого анионы.

Рисунок 4. Изотермы сорбции ионов Cr(VI) ионитом ППЭ-1 при различных температурах. 1, 2, 3- температуры сорбции 313, 303, 293К соответственно

На рис. 4 приведены изотермы сорбции ионов Cr(VI) сорбентом ППЭ-1 при различных темпе­ратурах. Как видно из рисунка, увеличение концен­трации ионов Cr(VI) и повышение температуры в исходном растворе приводит к увеличению их сорбции.

Для описания изотерм сорбции применено уравнение Ленгмюра в следующем виде: 

  

где К - константа равновесия адсорбции, а Г¥- максимальная величина адсорбции для данной температуры. Обычно для нахождения величин К и Г¥ уравнение Ленгмюра приводят к следующему виду:

В=1/К. Строят график зависимости 1/Г от 1/С, тангенс угла наклона данной прямой даёт значение В/Г¥, а отрезок отсекаемый от оси ординат величину 1/Г¥.

Термодинамические функции были определены из зависимости констант равновесия от температуры: . Из формулы  находили значения DН и DS. Для этого строили график зависимости RlnK от 1/Т. Из тангенса угла наклона этой прямой рассчитывали DН, а DS рассчитывали из уравнения:


Таблица 3.

Изменение термодинамических функций при сорбция ионов Cr(VI) с ионитом ППЭ-1

Т, К

Г¥, ммоль/г

Константа сорбции, К л/моль

-DG, Дж/моль

-DH,

Дж/моль

-DS,Дж/моль ∙К

при температурах

293

10,5

9,28

8448

 

9,8

303

13,1

36,3

9039

19000

10,8

313

14,8

67,5

10950

 

15,9

Из данных таблицы 3 видно, что процесс сорбции ионов Cr(VI) протекает самопроизвольно с отрицательными значениями изменения свободной энергии, энтальпии и энтропии системы. Возрас­тание значения и константы равновесия адсорб­ции с увеличением температуры свидетельствуют о превалировании процесса химической адсорбции над физической. Уменьшение энтальпии и энтропии свидетельствует о сильном связывании ионов бихромата сорбентом.

Использование анионита для промышленной водоподготовки

Сорбционные свойства анионита также были исследованы в технологических условиях на опытно промышленной установке объёмом 50 л в цехе «Предочистки» АО «MAXAM-CHIRCHIQ» для удаления анионов из природной обработанной катионитом воды. Для этого, на специально созданной опытной установке, была синтезирована укрупнённая партия анионита массой 18 кг. Результаты испытания приведены в таблице 4.


Таблица 4.

Результаты испытания ионообменного сорбента ППЭ-1 в цехе Предочистки производства «Капролактам» АО «MAXAM-CHIRCHIQ» в условиях действующего производства

Дата проведения

Щелочность общая, ммоль/дм3(не более 0,8)

Концентрация хлоридов, мг/дм3

(не более 1)

рН

(не менее 6,0)

Время работы, часы

1

29.04.2015

0,02

0,65

6,8

18

2

05.05.2015

0,02

0,60

6,2

14

3

13.05.2015

0,02

0,78

6,5

12

4

19.05.2015

0,04

0,77

6,8

18

5

01.06.2015

0,01

0,72

7,1

14

6

08.06.2015

0,02

0,70

6,2

17

7

15.06.2015

0,02

0,70

7,0

15

8

19.06.2015

0,02

0,88

6,4

17

9

25.06.2015

0,01

0,72

6,5

15

10

30.06.2015

0,02

0,68

6,8

17

11

Средняя

0,02

0,72

6,6

15,7

Приведенные в таблице 4 данные показывают, что свойства воды пропущенной через установку заполненную анионитом ППЭ-1 соответствует заводскому регламенту. Из этого следует, что полученный новый анионит ППЭ-1 может удалять анионы из декатионированной воды в технологических условиях и его можно использовать в цехах водоочистки для промышленной водоподготовки.

 


Список литературы:

1. Алексеев С.Л., Болотин С.Н., Цюпко Т.Г. Исследование сорбции соединений хрома (VI) на ионообменных материалах и сорбентах // Журнал прикладной химии. – 2007. – Т. 80. – Вып. 3. – С. 378–380.

2. Зубарева Г.И., Филипьева М.Н., Дегтев М.И. Способы очистки сточных вод от соединения хрома (VI) // Экология и промышленность России. – 2005. – Февраль. – С. 30–33.
3. Медянкина М.В., Филенко О.Ф., Широков Д.А. Влияние донных осадков на токсичность тяжелых металлов для дафний Хром // Экологические системы и приборы. – 2006. – № 12. – С. 39–42.
4. Миронов В.А., Янковский С.А. Спектроскопия в органической химии. – М.: Химия, 1985. – 48 с.
5. Способ получения анионита // Патент. РУз IAP 2014 0275. 2014. Бюл. № 9. – С. 17. / Бекчанов Д.Ж., Муха-медиев М.Г., Дадахаджаев А.Т. [и др.].
6. Ahmed I.S., Ghonaim A.K, Abdel Hakim A.A., Moustafa M.M., Kamal El-Din A.H. Synthesis and characterization of some polymers for removing of some heavy metal ions of industrial wastewater // J Appl Sci Res. 2008. V. 4. – Р. 1946–1958.
7. Inamuddin Dr., Mohammad Luqman. Ion Exchange Technology I Theory and Materials // Springer. – Dordrecht. Heidelberg. New York. London, 2012. – 560 p.
8. Melnicov Ye.A., Ergozhin E.E., Chalov T.K., Nikitkina A.I. Sorption of chromium (VI) ions by anionites based on epoxidized derivatives of aniline and benzylamine. // Life Science Journal. – 2014. V. 11. – Р. 252–254.

 

Информация об авторах:

Бекчанов Давронбек Жумазарович Bekchanov Davronbek

д-р хим. наук, Чирчикский Государственный Педагогический Институт 111700, Узбекистан, Ташкент, Чирчик, улица А.Темура, дом 104

doctor of chemical sciences, Chirchik State Pedagogical institute 111700, Uzbekistan, Tashkent, Chirchik, A. Temur st., 104


Сагдиев Наиль Жадитович Sagdiev Nail

доцент, кандидат химических наук, Национальный университет Узбекистана им. Мирзо Улугбека, 100174, Узбекистан, Ташкент, ул.Университетская, дом 4

Associate Professor, Candidate of Chemical Sciences, National University of Uzbekistan named after Mirzo Ulugbek, 100174, Uzbekistan, Tashkent, Universitetskaja street, 4


Мухамедиев Мухторжон Ганиевич Mukhamediev Mukhtor

докт. хим. наук, профессор, кафедра «Химия полимеров», Национальный университет Узбекистана им. Мирзо Улугбека, 100174, Республика Узбекистан, г. Ташкент, массив ВУЗгородок, 4

Doctor of Chemical Sciences, Professor, Department of Polymer Chemistry, M.Ulughbek National University of Uzbekistan, 100174, Uzbekistan, Tashkent, VUZgorodok,4


Читателям

Информация о журнале

Выходит с 2013 года

ISSN: 2311-5459

Св-во о регистрации СМИ: 

ЭЛ №ФС77-55878 от 17.06.2013

ПИ №ФС77-66239 от 01.07.2016

Скачать информационное письмо

Включен в перечень ВАК Республики Узбекистан

Размещается в:

doi:

The agreement with the Russian SCI:

cyberleninka

google scholar

Ulrich's Periodicals Directory

socionet

Base

ROAR

OpenAirediscovery

CiteFactor

 

Поделиться

Лицензия Creative CommonsЯндекс.Метрика© Научные журналы Universum, 2013-2017
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Непортированная.