Сорбция ионов тяжелых металлов из водных растворов с использованием функционализированного полиакрилонитрила / вермикулита

АННОТАЦИЯ

Раствор полиакрилонитрила (ПАН) в диметилфармамиде (ДМФ) готовили реакцией полиакрилонитрила с большим содержанием диэтилентриамина (ДТА). Смолы и их комплексы с металлами были изучены с помощью FTIR (инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье), а сканирующая электронная микроскопия (CЭМ) была использована для изучения морфологии поверхности. Исследована адсорбция Zn (II) из водных растворов с использованием функционализированных полиакрилонитрил / вермикулитовых сорбентов.

ABSTRACT

Solution of polyacrylonitrile (PAN) in dimethylpharmamide (DMF)were prepared through the reaction of polyacrylonitrile with numerous content of diethylenetriamine (DTA). The resins and its metal complexes were studied by FTIR (Fourier Transform Infrared) spectroscopy and scanning electronic microscopy (SEM) was utilized in order to study the surface morphologies. The adsorption of Zn(II) from aqueous solutions utilizing functionalized polyacrylonitrile/ vermiculite sorbents have investigated.

Ключевые слова: композит; вермикулит; полиакрилонитрил, комплекс, анионообменная смола, сорбция, модификация.

Keywords: composite; vermiculite; polyacrylonitrile, complex, anion exchange resin, sorption, modification.

В последнее время химические и промышленные процессы вызывают загрязнение окружающей среды, и устранение этих загрязнений вызывает интерес ученых. Удаление тяжелых металлов из сточных вод является одним из основных направлений экологических исследований. Фактически сорбция металлов - это один из методов очистки промышленных стоков. Ионы металлов вызывают серьезные экологические проблемы из-за их широкого использования во многих отраслях и сферах применения. К таким промышленным стокам относятся промышленные удобрения, катализаторы, шестерни, магниты, клапаны подушек безопасности, электроника, средства защиты зубов, выхлопной дым, нержавеющая сталь и т. д. [1-2] Для решения вышеупомянутых проблем используются различные материалы, такие как ионообменные волокна. и смолы. В последние годы более перспективным стало использование хелатных сорбентов для образования прочных комплексов с ионами тяжелых металлов [3]. Активные нитрильные группы, присутствующие в сополимерах полиакрилонитрила (ПАН), позволяют вводить новые функциональные группы с помощью специальных реакций. Авторы сообщили о различных способах модификации волокон ПАН для получения катионита, анионита и амфолита. Некоторые авторы провели модификации поверхности ПАН с помощью NaOH для получения значительного количества карбоксильных групп. Смолы на основе полиакрилонитрила легко приготовить и содержат реактивные боковые группы (цианогруппы), которые могут быть модифицированы различными типами реагентов, такими как гидроксиламин, гидразин, этилендиамин и тиосемикарбазид, посредством реакций нуклеофильного присоединения и циклоприсоединения [1-4]. В этом исследовании аминосодержащие смолы на основе полиакрилонитрила были синтезированы путем химической модификации полиакрилонитрила диэтилентриамином (ДТА). Вермикулит (типичный химический состав: SO₂ ,40.54; MgO, 18.42; A1₂O₃, 15.90; Fe₂O₃, 1.19; FeO, 2.72; CaO, 0.24; TiO₂, 0.26; Na₂O, 0.02; K₂O, 0.03; H₂O , 26.65 мас.%) обрабатывали насыщенными растворами NaCl (NaC1 аналитической чистоты) и нагревали 30 мин при кипячении с обратным холодильником [5]. где вермикулит или его силикатные слои на конечной стадии композита изменяют свойства всей системы, представляют собой экономически и технологически неприхотливые материалы. Вермикулит здесь входит в составную систему в неизмененном виде; это означает, что он сохраняет свои первоначальные характеристики. Обычно полимерные и / или слоистые силикатные нанокомпозиты синтезируются непосредственно из полимерных макромолекул или из мономеров с последующей полимеризацией in situ для внедрения и последующего увеличения прослойки используемой глины [6].

Полиакрилонитрил волокно был предоставлен (Экспериментальный порошок полиакрилонитрила был предоставлен (NAVOIYAZOT, Узбекистан) с молекулярной массой 60000 г / моль. Диэтилентриамин (ДТА) использовали без очистки. Нитратные соли ионов металлов были предоставлены Fluka и использованы в том виде, в котором они были получены. Приготовление смол Полиакрилонитрил -диэтилентриамин/ вермикулит (ПАН-ДТА/ВЕР). ПАН-ДТА/ВЕР получали добавлением 2,5 г Полиакрилонитрил / Вермикулит (ПАН/ВЕР) к 50 мл 50% (об. / Об. В воде) раствора диэтилентриамина в круглодонной колбе на 250 мл. Смесь перемешивали магнитной мешалкой и оставляли реакцию протекать при 110 ° C в течение 30 часов. Добавляли дистиллированную воду и смолы отделяли от раствора фильтрованием. Полученные смолы многократно промывали дистиллированной водой для нейтрализации, затем оставляли сушиться при 50°C в печи на ночь и хранили в эксикаторах перед использованием в исследовании сорбции.

Сорбция ионов металлов модифицированными смолами ПАН / ВЕР

Эксперименты по периодической сорбции проводили в стаканах на 50 мл, каждый из которых содержал 30 мл раствора одного металла (0,2 моль, 0,67 моль / л) при двух различных значениях pH. Затем в химический стакан добавляли 0,1 г (3,33 г / л) каждой смолы, содержимое стакана перемешивали магнитной мешалкой в течение 2 часов, смолы отделяли от раствора фильтрацией и промывали водным раствором при температуре тот же pH для удаления незавершенных ионов металлов. Комплексы металл – смола сушили при 50 ° C в печи.

Аминовая емкость смол. 0,5 г смолы ПАН–ДТА/ВЭР полностью преобразовали в аммоний обработкой избыточным раствором 0,1 М HCl в химическом стакане в течение 24 ч. Смолу отделяли от кислого раствора фильтрованием и промывали дистиллированной водой до нейтральной реакции, а затем сушили при 45 ° C до постоянного веса. Затем 0,2 г аммониевой формы смолы переносили в колбу Эрленмейера на 250 мл, затем в колбу с пробкой добавляли 25 мл стандартного 0,1 М раствора NaOH и давали встряхивать в течение примерно 4 часов. Для определения содержания амина в смолах 10 мл аликвоты надосадочного раствора титровали до конечной точки фенолфталеина стандартным 0,1 М раствором HCl.

В этом исследовании аминосодержащие смолы (ПАН–ДТА) были синтезированы посредством реакций между порошком полиакрилонитрила и диэтилентриамином. В этих условиях нитрильные группы полиакрилонитрила были преобразованы в группы аминов и иминов и их способность к адсорбции ионов металлов. был изучен. Результаты подтвердили, что введение новых групп усиливает адсорбцию ионов металлов. После синтеза этих смол мы использовали различные методы для характеристики комплексов ионов металлов. Мы использовали модифицированные смолы ПАН–ДТА/ВЭР в качестве адсорбентов в серии экспериментов по адсорбции в ванне для удаления Zn (II) из водных растворов впервые. Адсорбцию ионов металлов исследовали в условиях различных pH. Сорбционную емкость смол измеряли с помощью ионообменной смолы. Смолы ПАН–ДТА/ВЭР и их комплексы с ионами металлов были изучены с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), ИК-спектров.

СЭМ-анализ. Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) была использована для изучения смол и морфологии их металлических комплексов. Рис. 1 показывает, что нет резкой разницы между морфологией смол по сравнению с их комплексами. Кроме того, фотографии ПАН–ДТА/ВЭР Zn (II), полученные с помощью СЭМ, показывают небольшие различия в морфологии по сравнению с исходной смолой и комплексами металлов.

Рисунок 1. СЭМ-изображения

а) вермикулита б) полиакрилонитрил -диэтилентриамин / вермикулит в) полиакрилонитрил -диэтилентриамин / вермикулит Zn (II).

ИК спектры. ИК-спектры ПАН – ДТА, образующие комплекс с металлом, по сравнению со спектрами тех, которые не входят в комплекс, показали сдвиг волновых чисел для полос адсорбции C = O, C – O и C – N, соответствующих образованию комплекса полимер – металл. С другой стороны, значительное уменьшение пика примерно при N – H (изгиб) и C – N (растяжение) ПАН наблюдалось с комплексным ДТА. Кроме того, новые полосы на пиках 1655, 1561 и 1392 см-1 для ПАН – ДТА указывают на то, что амидная и аминная группы были введены в смолы. Также согласно фиг. 2 изменения в FTIR привели к объединению атомов азота в N – H и = N – H и атома кислорода в CO – NH с ионами металлов с образованием хетатный комплекс. Как показано на схеме 2, предлагаемая структура взаимодействия ПАН – ДТА и ионов металла находится в координации с ионами металлов и аминогруппами в структуре полимера.

Рисунок 2. ИК-спектры полиакрилонитрил -диэтилентриамин/вермикулит

Аминированные полиакрилонитрильные смолы получали взаимодействием порошка полиакрилонитрила с 2 об. % диэтилентриамина. Сорбционное поведение смол, изученных для ионов металлов, подтвердило, что они обладают приемлемой сорбцией на ионы металлов по сравнению с аналогичными смолами. Кроме того, большее количество сорбции было получено при более высоких значениях pH раствора. И последнее, но не менее важное: большая степень сорбции зависит от содержания амина в смолах и увеличения содержания амина в смолах и приводит к увеличению сорбции ионов металлов. Самая высокая сорбция ПАН – ДТА / ВЭР была обнаружена при Zn (II) спектроскопии, а определение аминов подтвердило образование аминосодержащих смол. Серийные исследования комплексов металл – смола показали присутствие ионов металлов в комплексах ПАН – ДТА / ВЕР. Максимальная адсорбция 98,9% Zn (II) с 2 г / л адсорбента наблюдали при pH 6,0 для начальной концентрации металла 25 мг / л.

Список литературы:

1. Pan, S. C.; Lin, C. C.; Tseng, D. H. Reusing Sewage Sludge Ash as Adsorbent for Copper Removal from Wastewater. Resource ConserV. Recycle. 2003, 39, 79–90.
2. Kun, R. C.; Soykan, C.; Sacak, M. Adsorption of Copper(II), Nickel(II) and Cobalt(II) ions from Aqueous Solution by Methacrylic acid/ acrylamide Monomer mixture Grafted Poly(ethylene terephthalate) Fiber. Sep. Purific. Technol. 2006, 49, 107–114.
3. Lutfar, M. R.; Silong, S.; Zin, W. M.; Rahman, M. Z. A.; Ahmad, M.; Haron, J. Preparation and Characterization of Poly(amidoxime) Chelating Resin from Polyacrylonitrile Grafter SagoStarch. Eur. Polym. J. 2000, 36, 2105–2113.
4. Pekel, N.; Sahinar, N.; Guven, O. Use of Amidoximated Acrylonitrile/N-vinyl 2-Pyrrolidone Interpenetrating Polymer Networks for Uranyl ion Adsorption from Aqueous Systems. J. Appl. Polym. Sci. 2001, 81, 2324–2329
5. Zhang K, Xu J, Wang KY, Cheng V, Wang V, Liu V (2009) Preparation and Characterization of Chitosan Nanocomposites with Vermiculite of Different Modification. Polym. degrad. stabil. 94: 2121–2127
6. Yanga C, Liua P, Guoa J, Wang Y (2010) Polypyrrole/Vermiculite Nanocomposites via Self-Assembling and in Situ Chemical Oxidative Polymerization. Synth. met. 160: 592– 598.