СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ НОВОГО СОЕДИНЕНИЯ НА ОСНОВЕ ПОЛИКРЕМНИЕВОЙ КИСЛОТЫ МОДИФИЦИРОВАННОЙ МОНОЭТАНОЛАМИНОМ

АННОТАЦИЯ

В статье представлены модификация поликремниевой кислоты этаноламином и синтез из него нового сорбента с мочевиной и формальдегидом. Приведены результаты ИК-спектроскопического и термического анализов полученного продукта.

ABSTRACT

The article presents the modification of polysilicic acid with ethanolamine and the synthesis of a new sorbent from it with urea and formaldehyde. The IR-spectroscopic and thermal analyzes of the obtained product are presented.Kalitso’zlar: polisilikatkislota, etanolamin, formaldegid, karbamid, termiktahilil, IQ-spektroskopiya.

Ключевые слова: поликремниевая кислота, этаноламин, формальдегид, мочевина, термический анализ, ИК-спектроскопия.

Keywords: polysilicic acid, ethanolamine, formaldehyde, urea, thermal analysis, IR spectroscopy.

Введение. По мере роста индустриализации увеличивается количество углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу. Содержимое мусорных свалок под действием микроорганизмов, солнечного света и атмосферного кислорода подвергается биоконверсии, что также спосообствует выбросу CO₂ и CH₄ в атмосферу. Образующаяся смесь также содержит пары воды, сероводорода, аммиака и азота. Эти газы могут быть использованы для получения тепла при их сжигании [7. Однако одним из ключевых факторов, снижающих калорийность такого топлива, является повышенное содержание, до 30%, диоксида углерода [6]. Поэтому повышение калорийности попутных газов за счет удаления негорючих компонентов, к которым относится СО_2, является актуальной проблемой энергетики.

Наиболее технологичным методом разделения смеси CO₂ / CH₄ является адсорбционный метод. Обычно для этого используют силикагель – широко распространенный адсорбент с большой площадью поверхности. Однако скорость абсорбции CO₂ силикагелем невысокая. В то же время благодаря наличию большого количества гидроксильных групп на его поверхности и введению в состав силикагеля различных модификаторов, при использовании различных веществ, появляется возможность синтезировать новые эффективные сорбенты на его основе[ 4].

Так, была рассмотрена возможность использования силикагеля, модифицированного моноэтаноламином, в качестве катализатора в различных реакциях. Согласно реакции Генри, модифицированный силикагель также может быть использован для синтеза нитроалкенов. Было обнаружено, что в гетерогенной среде катализатор наиболее эффективен для производных бензилальдегида, хранящихся в 4-м положении.[4].

Также была разработана композиция модифицированного этаноламином силикагеля с полимерами, модифицированными малеиновым ангидридом ТЭОС, что привело к увеличению термической стабильности композита в среднем на 150 ° C и улучшению модуля Юнга.[5]. 

Авторами настоящей статьи изучалась экстракция поликремниевой кислоты из мочевины и формальдегида и анализ полученных продуктов методом ИК-спектроскопии. Эти соединения показали  улучшение их адсорбционных свойств за счет включения органических функциональных групп в обычный силикагель. [6].

Модификаторы, олигомеры и смолы с улучшенной термической стабильностью были получены путем использования спиртов и сложных эфиров в синтезе кремнийсодержащих органических соединений[1,3].

Методы исследования. Предметом исследований был синтез сорбентов с моноэтаноламином, мочевиной и формальдегидом на основе поликремниевой кислоты, при этом использовались реагенты с квалификацией «чистые». Моноэтаноламин марки «технический» очищали путем перегонки.

ИК-спектроскопический анализ выполнен на спектрофотометре IRTracer-100 при частоте 400-4000 см^-1. Получено графическое представление полученного спектра и определены максимальные частоты колебаний с помощью соответствующего программного обеспечения. Соответствующие частоты функциональных групп были определены на основании литературных данных.

Термический анализ выполнен на приборе DTG-60 фирмы SHIMADZU. Для термогравиметрического и дифференциального термогравиметрического анализов эксперимент проводили в инертной среде в диапазоне 40–600 ° C. Результаты основаны на изучении изменений массы и энергии с использованием соответствующего программного обеспечения.

Экспериментальная часть.

Модификация поликремниевых кислоты с этаноламином.

Для этого процесса поликремниевую кислоту получают из метасиликата натрия, обработанного соляной кислотой. В реакции используется полисиликатная кислота, которую сушат и подвергают термообработке при 200°C до тех пор, пока масса не изменится. Возьмите 10 г полисахаридной кислоты и добавьте 30 г свежеперегнанного моноэтаноламина. Реакцию проводят в течение 5 ч при 150°C при перемешивании.

Полученный продукт фильтруют. Твердый остаток сушат при температуре 80 ° С в течение одного часа. Масса продукта составляет 10,52 гр.

Синтез сорбентов с мочевиной и формальдегидом.

Полученный полисиликат получают после модификации кислоты моноэтаноламином и добавляют к 5 г раствора формальдегида при перемешивании. Постепенно добавляли в смесь 1 г мочевины. Реакцию продолжают при перемешивании при 90° C в течение 3 часов. Полученный твердый остаток отфильтровывают. Отверждается при 60° C в течение одного часа. Масса продукта составляет 1,04 г.

Анализ полученных результатов

Строение полученных соединений изучено методом ИК-спектроскопии. ИК-спектр продукта показан на рисунке 1.

Рисунок 1. ИК-спектр соединения, полученного на основе поликремниевой кислоты, модифицированной этаноламином

ИК-спектр конечного продукта показывает широкую полосу поглощения валентных колебаний свободных гидроксильных групп поликремниевой кислоты 3240 см^-1. Валентные колебания связи N-C наблюдаются в области 1233 см ^-1, а валентные колебания связей N-H наблюдаются в области 1158 см ^-1. В области 1652 см^-1 наблюдаются колебания карбонильных групп под действием аминогруппы. В областях высокой интенсивности 1084 см^-1 и 1027 см^-1 наблюдаются валентные колебания кремний-кислородных связей: связанных и несвязанных групп. 

Рисунок 2. Термический анализ сорбента на основе поликремниевой кислоты, модифицированной этаноламином.

Проведен термический анализ соединения, полученного с мочевиной и формальдегидом на основе модификации поликремниевой кислоты этаноламином (рис. 2). Продукт термически разлагается в 3 стадии. Первый этап проходит при температуре 195 ° С с потерей 12,25% массы. На этом этапе выделяется избыточная вода, образовавшаяся в результате реакции. Азот в аминогруппах выделяется в виде аммиака при термическом разложении. Вторая ступень достигает 398 ° С и теряет 8,66% своей массы. В этом случае органические соединения полностью разлагаются с образованием оксида углерода, диоксида углерода и аммиака. Третий этап продолжался до тех пор, пока процесс не был остановлен и не было потеряно 6,4% массы.

Линия  DTA характеризуется одним большим экзотермическим пиком, соответствующим наиболее активной точке разложения органического слоя при 275 ° C.

Даже при нагревании до 600 ° C разложение соединения примерно на 25% можно объяснить тем фактом, что основная масса вещества представляет собой термостойкую поликремниевую кислоту.

Выводы

Получено новое модифицированное соединение мочевины и формальдегида с поликремниевой кислотой, модифицированной этаноламином. Его состав и структура изучены методами ИК-спектроскопии. Проведен термический анализ, по результатам которого можно судить, что полученное вещество пригодно для использования в качестве термостабильного сорбента, позволяющего работать с ним при температуре до 200 ° C.

Список литературы:

1. Б.Б.Э. Получение и исследование модифицированных глифталевых смол с кремнийорганическим соединением / Х.Э. Эшмуродов, Ю.А. Гелдиев, Х.Х. Тураев, И.А. Умбаров [и др.] // Universum: технические науки. – 2020. – Vol. 81, № 12.
2. Гелдиев Ю.А., Тураев Х.Х., Умбаров И.А. Д.А.Т. Cинтез и ИК-спектроскопический анализ производных поликремниевой кислоты с мочевиной и формальдегидом // Universum: химия и биология. – 2021. – Vol. 85, № 7–1. – P. 95–98.
3. Эшмуродов Х.Э., Гелдиев, Ю.А., Тураев Х.Х. Д.А.Т. Cинтез и исследование олигомеров на основе эфиров кремниевой кислоты // Universum: химия и биология. – 2020. – Vol. 7, № 70.
4. Adsorption Separation of CO2/CH4 from Landfill Gas by Ethanolamine-Modified Silica Gel / Y. Zhang [et al.] // Water. Air. Soil Pollut. – 2021. – Vol. 232, № 2.
5. Chuang P.L., Nien Y.H. Preparation and characterization of maleic anhydride grafted SEBS/silica composites through modification by ethanolamine // Polym. Bull. – 2020. – Vol. 77, № 5. – P. 2521–2537.
6. Hollow fiber membrane process for the pretreatment of methane hydrate from landfill gas / K. Kim [et al.] // Fuel Process. Technol. – Elsevier, 2014. – Vol. 121. – P. 96–103.