Международный
научный журнал

Номера журнала

Поликонденсационные фосфорнокислые катиониты для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов


Polycondensation type phosphoric acid cationites for wastewater treatment from ions of heavy metals

Цитировать:
Поликонденсационные фосфорнокислые катиониты для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов // Universum: Химия и биология : электрон. научн. журн. Пулатов Х.Л. [и др.]. 2018. № 11(53). URL: http://7universum.com/ru/nature/archive/item/6491 (дата обращения: 19.12.2018).
 
Прочитать статью:


АННОТАЦИЯ

Исследованы сорбционные свойства фосфорнокислого катионита на основе стирольно-фурфурольного полимера в ряду ионов металлов – медь, никель, кобальт и др. в зависимости от рН среды, ионной формы катионита и концентрации исследуемых катионов. Показано, что полученный катионит может быть использован в процессах сорбции исследуемых катионов из различных вод.

ABSTRACT

There have been investigated the sorption properties of phosphoric acid cation-exchanger based on styrene-furfural polymer in a series of ions of metals — copper, nickel, cobalt and etc. depending on the pH, the ionic form of the cation-exchanger, and the concentration of the cations under study. It has shown that the obtained cation exchanger can be used in the sorption processes of the studied cations from different waters.

 

Ключевые слова: сорбция, стирол, фурфурол, фосфорилирование, катионит, ионный обмен, термо-химостойкость, статическая обменная емкость, динамическая обменная емкость, механическая прочность.

Keywords: sorption, styrene, furfural, phosphorylation, cationite, ion exchange, thermo-chemical stability, static exchange capacity, dynamic exchange capacity, mechanical strength.

 

Ускоренное развитие различных отраслей народного хозяйства в Республике Узбекистан (химической, гидрометаллургической, водопод­готовки и т.д.) во многом зависит от внедрения достижений современной науки и техники. Всё это связано с одной из злободневных задач современной химии высокомолекулярных соединений - создание и разработка процессов получения ионообменных полимеров, с дальнейшим изучением научных основ управления эксплуатационными свойствами полученных ионитов [1, с.76-79; 2, с.58-60; 3, с.4-5]. За последние годы достигнуты значительные успехи в области получения ионообменных материалов, однако, многие из них, особенно, поликонденсационного типа, не удовлетворяют потребностей таких производств как гидрометаллургия, очистка сточных и производственных растворов, водоподготовка и др. по доступности, эффективности, сорбционной и селективной способности, что приводит к необходимости синтеза новых ионообменных полимеров. Кроме этого, в настоящее время почти все используемые в производстве иониты ввозятся в Узбекистан из стран СНГ [4, с.3-4].

В свете сказанного, большой практический и теоретический интерес представляет поиск новых ионитов и эффективных методов модификации существующих ионитов, в этой связи, получение новых ионообменных полимеров на основе отходов химических производств и дальнейшее использование полученных ионитов в процессах очистки производственных, сбросных вод и др., создадут предпосылки для улучшения технико-экономических показателей работы многих отраслей народного хозяйства и, что не менее важно – уменьшение загрязнения окружающей среды [5].

Целью настоящего исследования является получение, изучение свойств и применение нового поликонденсационного фосфорнокислого катионита, полученного на основе стирольно-фурфурольного полимера. Задачами исследования являются фосфо­рилирование нового стирольно-фурфурольного полимера для получения фосфорнокислого катионита, исследование сорбционной способности полученного катионита по отношению к ионам натрия, калия, кальция, магния, а также ионов тяжелых металлов, исследование комплексо-образующей и избирательной способности испытуемых ионитов к ионам меди, никеля, кобальта и др. [6, с.153-159].

Считая весьма перспективным в плане достижений в области синтеза ионитов, нами с целью получения фосфорсодержащих катионитов в качестве полимерной матрицы в реакции полимера­налогичных превращений был использован стирольно-фурфурольный полимер. Условия процесса фосфорилирования данного полимера подбирали из опытов, накопленных применительно к реакциям фосфорилирования низко- и высокомолекулярных соединений [7, с.9; 8, с.37-40; 9, с.50-57].

В работе были использованы следующие химические методы анализа: элементный анализ, алкалометрическое, трилонометрическое, йодометри­ческое титрование и физико-химические методы [9, с.50-57]. Кроме этого, для определения физико-механических и технологических свойств использованы стандартизованные методы испытаний.

С целью увеличения обменной емкости, т.е. перевода фосфинистых групп в фосфиновую, полимер после промывания водой контактировали в течение 7 часов при температуре 600С концен­трированной азотной кислотой. В результате этого, большая часть фосфинистокислых групп окисляется до фосфиновокислых. При этом, содержание фосфора в полимере не изменяется, величина обменной емкости увеличивается до 7.6-8.0 мг-экв/г [10, с.148-160].

Представлял интерес изучить такие свойства исследуемого фосфорнокислого катионита, как сорбционная способность его к ионам меди, никеля и кобальта, имеющих важное значение в современной технике, выявить влияние различных факторов на процесс сорбции этих катионов, а также механизм их сорбции с применением ИК-спектроскопического анализа. С этой целью было изучено взаимодействие катионита в Na- и Н-формах с растворами сернокислых солей меди, никеля, кобальта. Результаты исследований приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Сорбция катионов металлов фосфорнокислым катионитом

0.1 N растворы

Н-форма

Na-форма

рН раствора

Сорбировано, мг-экв/г

Коэффициент распределения, мл/г

рН раствора

Сорбировано, мг-экв/г

CuSO4

4.8-5.0

1.2-1.3

66

4.8-5.0

1.75-1.8

CuSO4

11

2.64-2.7

733

11

3.08-3.1

CuSO4

-

-

-

2.35

1.0-1.1

NiSO4

7.6

1.1-1.2

20

2.25

1.0

NiSO4

10

2.0-2.1

84

3.8

3.6

NiSO4

-

-

-

7.6

2.0

NiSO4

-

-

-

10

3.75-3.8

CoSO4

8

2.0-2.05

35

2.36

0.8-0.9

CoSO4

-

-

-

3.18

2.4

CoSO4

-

-

-

8

2.65

 

Данные таблицы 1 свидетельствуют о влиянии природы катиона на сорбируемость. Найдено, что исследуемые катионы сорбируются катионитом неодинаково, и по способности к сорбции могут быть расположены в следующем порядке:

Ni2+ > Cu2+ > Co2+

Результаты десорбции сорбированных ионов катионитом в Na-форме приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Десорбция ионов металлов из катионита

Десорбирующий катион

Сорбировано,
мг-экв/г

Десорбирующий раствор

Десорбировано, мг-экв/г

Н2О

2 N раствор H2SO4

Медь

3.08

0.06

2.7

2.76

Никель

3.6

0.56

2.83

3.39

Кобальт

1.4

0.2

0.9

1.1

 

Десорбцию ионов меди и никеля проводили 2 N раствором серной кислоты. При этом катионит, сорбировавший ион меди, при промывке раствором серной кислоты выделяет 80% от общего количества сорбированной меди и 95% никеля.

Анализ полученных данных (таблица 2) свидетельствует, что исследуемый фосфорнокислый катионит обладает достаточно высокой сорбционной и десорбционной способностью к ионам испытуемых металлов.

Использование ионитов в высокотемпературных производственных процессах лимитируется недостаточной термостойкостью известных марок ионитовых полимеров, выпускаемых промышленностью. Большинство ионитов, особенно, поликонденсационного типа, согласно литературным данным, отличаются низкой термостойкостью, вследствие чего их применение ограничено. С этой точки зрения изучение термостойкости полученного катионита имеет практическое значение, т.к. позволит определить допустимые пределы температур и рекомендовать исследуемый катионит для работы при повышенных температурах [11, с.388-390].

Нами исследована термостойкость полученного фосфорнокислого катионита. Термическую устойчивость катионитов исследовали в воде, в водных растворах кислот и щелочи, а также методом дифференциально-термического анализа. Термическую устойчивость характеризовали по изменению обменной емкости, набухаемости, потере веса ионита. Для сравнения исследовали термостойкость в аналогичных условиях известного катионита КФ-1 (фосфорнокислого катионита на основе стирола и дивинилбензола). Термическую устойчивость катионитов исследовали в воде при температуре кипения воды в течение определенного времени. Катиониты использовали в водородной форме. В таблице 3 приведены величины обменной емкости катионитов.

Таблица 3.

Термическая устойчивость катионитов в воде (температура кипения воды, время прогрева – 72 часа)

Катионит

СОЕ до термообработки по 0.1N раствору, мг-экв/г

Потеря в весе, %

Удельный объем набухшего в воде катионита, мг/г

NaOH

NaCl

до термообработки

после термообработки

КФФ

6.8

1.0

1.2

3.5

3.0

КФ-1

6.4

0.8

1.2

3.8

3.4

 

Из данных таблицы 3 видно, что величина обменной емкости фосфорнокислого катионита (КФФ) в результате термообработки в течение 24 часов не изменяет своего значения, дальнейшее нагревание в воде в течение 72 часов незначительно снижает величину обменной емкости для КФФ – 1-1.2%, как и у эталонного образца катионита КФ-1 – 1-1.2%. При нагревании испытуемых катионитов в воде уменьшение величины обменной емкости связано с процессом термического дефосфорилирования, представляющего собой реакцию гидролиза, в результате чего в водную фазу переходят ионы РО43-. Поэтому о термостойкости катионитов можно косвенно судить также по изменению рН водной вытяжки. Водные вытяжки после термообработки катионитов в течение 72 часов имели слабокислую реакцию (рН=4.8-5.6). Удельный объем испытуемых образцов катионитов почти не меняется, следовательно, существенных изменений в каркасе катионитов не происходит [3, с.5-6].

Выводы

Фосфорилированием стирольно-фурфурольного полимера получен и исследован фосфорнокислый катионит, отличающийся высокой термо-химостойкостью и механической прочностью. На основании проведенных исследований определены оптимальные условия получения катионита. Структура и свойства полученных катионитов исследована с применением химических методов анализа в сочетании ИК-спектроскопией, потенциометрией, фотоколориметрией и др. Установлено, что полученный фофорнокислых катионит содержит только фосфорнокислые группы и может быть использован в процессах ионного обмена в слабощелочных и щелочных средах. Исследованы сорбционные свойства полученного фосфорнокислого катионита в ряду ионов металлов – медь, никель и кобальт в зависимости от рН среды, ионной формы катионита и концентрации исследуемых катионов. Исследована термическая устойчивость полученного фосфорнокислого катионита. Показано, что полученный катионит может быть использован в процессах сорбции исследуемых катионов из различных вод.

 

Список литературы:
1. Pulatov Kh.L. Synthesis and research of sorption properties of phosphoric cationite of polycondensation type // Science of Central Asia, 2010. - №1. - P.76-79.
2. Гельферих Ф. Иониты. М.: ИЛ, 1962. – 492 с.
3. Патент Республики Узбекистан № IAP 03886. Способ получения фосфорнокислого катионита / Пулатов Х.Л., Туробжонов С.М., Шарипова У.И., Турсунов Т.Т., Назирова Р.А. Опубликовано: официальный бюлле-тень АИС РУз «Расмий ахборотнома». – Ташкент, 2009. - №3.31.03.2009.
4. Пулатов Х.Л., Абдуллаев И.И., Ахатова А.Б., Турсунов Т.Т., Назирова Р.А. Применение новых синтезиро-ванных ионитов в процессах водоподготовки //«Актуальные вопросы в области технических и социально-экономических наук» Республиканский межвузовский сборник, Ташкент, 2013. – С.3-4.
5. Пулатов Х.Л., Турабжанов С.М., Назирова Р.А., Турсунов Т.Т., Мухамедова Н.К., Орипова Д.Р. Исследо-вание сорбционной способности фосфорнокислого катионита // Universum: Технические науки : электрон. научн.журн. 2018, №3(48), URL: http://7universum.com/ru/tech/archive /item/5663 (дата обращения: 10.10.2018).
6. Пулатов Х.Л., Турабжанов С.М., Турсунов Т.Т., Назирова Р.А. Фосфорнокислые катиониты поликонденса-ционного типа // Современные материалы, техника и технологии, 2016. - №5. – С.153-159.
7. Пулатов Х.Л., Турсунов Т.Т., Назирова Р.А. // II-Санкт-Петербургская конференция молодых ученых «Со-временные проблемы науки о полимерах». Санкт-Петербург, 2006. - С.9.
8. Пулатов Х.Л., Турсунов Т.Т., Шарипова У.И., Назирова Р.А. Сорбция ионов металлов фосфорнокислым катионитом // Kimyo va kimyo texnologiyasi. 2008.- №3. – С.37-40.
9. Рябчиков Б.Е., Сибирев А.В., Ларионов С.Ю., Корзина Ю.Е. Повышение эффективности очистки жидких радиоактивных стоков ионным обменом // Водопользование, водоотведение и водоподготовка, 2014. - №1. – С.50-57.
10. Самсонов Г.В., Тростянская Е.Б., Елькин Г.Е. Ионный обмен. Сорбция органических веществ. Л.: Наука, 1969. - С.148-160.
11. Синякова М.А.и др. Особенности сорбции меди(II) и алюминия (III) различными катионитами // Ж. прикл. химии, 2000. - Т.73. - №3. – С.388-390.

 

Информация об авторах:

Пулатов Хайрулла Лутпуллаевич Khayrulla Pulatov

канд. техн. наук, доцент Ташкентского химико-технологического института, Узбекистан, г.Ташкент

Candidate of Science, Associate Professor of Tashkent Institute of Chemical Technology, Uzbekistan, Tashkent city


Турабжанов Садритдин Махамаддинович Sadritdin Turabjanov

д-р техн. наук, профессор, ректор Ташкентского государственного технического университета
имени Ислама Каримова, Узбекистан, г.Ташкент

Doct. tech. Sci., Professor, Rector of Tashkent State Technical University named after Islam Karimov, Uzbekistan, Tashkent city


Хамдамова Одила Батуровна Odila Khamdamova

научный исследователь Ташкентского химико-технологического института, Узбекистан, г.Ташкент 

scientific researcher of Tashkent Institute of Chemical Technology, Uzbekistan, Tashkent city 


Игитов Фаррух Бахтиярович Farrukh Igitov

PhD, старший преподаватель Ташкентского химико-технологического института, Узбекистан, г.Ташкент

PhD, senior teacher of Tashkent Institute of Chemical Technology, Uzbekistan, Tashkent city


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.