СОРБЦИЯ ИОНОВ Cu(II) И Zn (II) ПОЛИАМФОЛИТЫ, ПОЛУЧЕННЫЕ НА ОСНОВЕ АМИНОКИСЛОТ

АННОТАЦИЯ

В статье изучен синтез хелатообразующего сорбента на основе парааминабензойной кислоты, эпоксисмола и полиэтиленполиамина. Исследовано влияние температуры и мольного соотношения исходных веществ на свойства полученного хелатного сорбента. Определено строение образующего хелатного сорбента ИК-спектроскопическим методом и установлена обменная емкость по ионам Cu (II) и Zn (II).

ABSTRACT

The article studies the synthesis of a chelating sorbent based on para-aminobenzoic acid, epoxy resin and polyethylene polyamine. The effect of temperature and molar ratio of the starting materials on the properties of the obtained chelated sorbent was investigated. The structure of the forming chelate sorbent was determined by IR spectroscopic method and the exchange capacity for Cu (II) and Zn (II) ions was established.

Ключевые слова: полииониты, ИК-спектроскопия, структура, статическая обменная емкость, насыпной вес.

Keywords: polyionites, IR-spectroscopy, structure, static exchange capacity, bulk density.

Введение. Ионообменные полииониты используются во всех сферах промышленности. Они широко используются в тепловых и атомных электростанциях для умягчения воды, на химических заводах для обессоливания воды, в гидрометаллургии для выделения редких, ценных, цветных и тяжелых металлов из технологических растворов, а также в целях уменьшения вреда, наносимого экологии, для очистки сточных вод от ядовитых ионов [8]. В последнее время активно развивается новое направление синтеза перспективных сорбентов путем модификации различных полимерных материалов и металлокомплексов на их основе. В результате модификации изменяется строение не только органической матрицы, но и состав функциональных групп, что позволяет получать сорбенты с повышенными селективными и избирательными свойствами и использовать их для концентрирования, разделения и определения металлов из разбавленных растворов и их металлокомплексов в качестве катализаторов гетерогенных каталитических процессов [9]. Комплексообразующие полимеры включают в себя также и сетчатые аминосульфоновые сополимеры, которые обладают высокой сорбционной способностью и селективностью по отношению к ряду тяжелых и цветных металлов.

Это связано с полидентатностью полимерного комплекса и хелатным эффектом при образовании комплексов с участием амино- и сульфатных групп [10].

Полиамфолиты представляют собой полимерные вещества, которые одновременно содержат в своем составе как анионные, так и катионные группы, которые в зависимости от рН среды могут сорбировать катионы и анионы. При определенных условиях существуют формы, которые образуют внутреннюю соль полиамфолита [3]. Существует много теорий для оценки ионообменного процесса [11; 4]. Ранее в литературе описан синтезированный комплексообразующий полифункциональный полимерный сорбент на основе поликонденсации мочевины, формальдегида, фосфорной кислоты [2; 1], получен анионит на основе тиомочевины, эпихлоргидрина и меламина [6], также синтезирован и исследован хелатообразующий сорбент на основе карбамида, формальдегида и дитизона [5]. Изучены сорбционные свойства волокнистых сорбентов новых типов, модифицированных гидроксиламином, этилендиамином или гексаметилендиамином [7].

Цель и методы исследования. Целью исследования является исследование процесса сорбции ионов Cu (II) и Zn (II) полиамфолитом, содержащих аминогруппу, синтезированных на основе аминокислот. ИК- спектроскопические исследования проводили на инфракрасном ИК-Фурье спектрометре IRTracer-100 SHIMADZU (Япония) (диапазон – 400–4000 см^–1, разрешение – 4 см^–1) порошкообразным методом. Интерпретация спектров проводилась с использованием базового программного обеспечения, реализующего автоматическое измерение спектров, имеющего средства графического отображения спектров и их фрагментов и формирующего работу с библиотекой спектров пользователя.

ИК-спектроскопические исследования проводили в анализаторах в Ташкентском научно-исследовательском институте химической технологии.

Экспериментальная часть. Как продолжение вышеуказанных исследований для синтеза комплексообразующего сорбента на основе модифицированного аминокислотами эпоксисмола в стакан добавляют 1 г (0,007 моль) ПАБК (парааминабензойной кислоты), эпоксисмола (ЭД-20) 2 г (0,006 моль) и ПEПA (полиэтиленполиамина) 2 г (0,033 моль) и интенсивно перемешивали. В результате образовалась смолистая масса. Полученную смолистую массу вылили в фарфоровую чашу и сушили в сушильном шкафу при 70–80 °C в течение 24 часов. Высушенный полимер растирали в ступке, и низкомолекулярные соединения сначала промывали 5%-ным концентрированным раствором NaOH, а затем несколько раз дистиллированной водой. Полученный продукт состоит из мелких пористых светло-желтых зерен с выходом реакции 93,5%.

В работе применялись реактивы марки «ч» и «х.ч.». Растворы реактивов готовились растворением точной навески в известном объеме растворителей.

Определили статическую обменную емкость – ГОСТ 20255.1–89.

Изучена сорбция ионов металлов полученным сорбентом. Для этого готовили 250 мл 0,1 н раствора сульфата меди (II) и цинка (II) с pH = 4,2, из которых 10 мл помещали в стеклянную ампулу, заполняли 0,03 г ионообменника и оставляли на 24 часа. Исследования проводили при температурах 303 К, 313 К, 323 К. Из данных табл. 1 следует, что за оптимальную температуру поликонденсации приняли 313 К. Начальные и конечные концентрации ионов меди (II) в растворах определяли на УФ-спектрофотометре.

Для определения концентрации использовали оптические плотности эталона и исследуемого раствора. Точную концентрацию иона металла цинка (II) определяли комплексонометрическим титрованием. На основе полученных результатов количество ионов металлов, сорбированных на сорбентах марки ПАБК-ЭП, вычисляли по формуле:

.

Здесь: q_е – количество иона, поглощенного ионитом, ммоль/г;

C₀ – начальная концентрация ммоль/л;

C_м – равновесная концентрация, ммоль/л;

V – объем раствора, л;

m – масса сухого сорбента, г.

Статическая емкость по иону меди (II) полученных сорбентов равна:

ПАБК-ЭП = 8,33 ммоль/г. По иону цинка (II) = 4,5 ммоль/г.

Изучено влияние мольных соотношений исходных веществ на состав и физико-химические свойства синтезированного хелатообразующего сорбента (ПАБК-ЭП) (табл. 1).

Таблица 1.

Влияние соотношения первичных компонентов на физико-химические свойства синтезированного хелатообразующего сорбента

С целью установления структуры полученного сорбента была использована ИК-спектроскопия. ИК-спектры: ν(NH) 3298 см^–1, n_s(CH₂) 2926 см^–1, n_s(O-CH₃) 2826см^–1, d_ср(NH₂) 1608 см^–1, d_сл(R₂-NH) 1577 см^–1, d(CH₂) 1506 см^–1, n(СH) 1455 см^–1, ν_c(–CO₂^–) 1369 см^–1, d(NH)+n (СN)_сл 1296 см^–1, n (СN)_st 1180 см^–1 , n(эпокси) 936 см^–1, d(N-H) 826 см^–1, d(CH₂) 753 см^–1 (рис. 1).

Рисунок 1. ИК-спектр хелатообразущего сорбента на основе реакции поликонденсации парааминабензойной кислоты, эпоксисмола и полиэтиленполиамина

Согласно полученным результатам выполненных исследований, строение полиамфолита может быть представлено следующим образом (рис. 2).

где

Рисунок 2. Строение образовавшегося сорбента

Выводы. Таким образом, получен новый хелатообразующий сорбент ПАБК-ЭП на основе парааминабензойной кислоты, эпоксисмола и полиэтиленполиамина, обладающий высоким сорбционным способом к катионам меди и цинка. Полученные результаты показали, что синтезированный хелатообразующий сорбент ПАБК-ЭП обладает высокой статической обменной емкостью при молярном соотношении 1:1:5.5 исходных веществ. По результатам ИК-спектроскопии предложено строение полученного полиамфолита.

Список литературы:

1. ИК-спектроскопические исследования и квантово-химические характеристики азот- и фосфорсодержащего полимерного лиганда / Ш.А. Касимов, Х.Х. Тураев, А.Т. Джалилов, Н.Б. Чориева [и др.] // Universum: химия и биология: электрон. научн. журн. – 2019. – № 6 (60) / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://7universum.com/ru/nature/archive/item/7400.
2. Касимов Ш.А., Тураев Х.Х., Джалилов А.Т. Исследование процесса комплексообразования ионов некоторых двухвалентных 3d-металлов с хелатообразующим сорбентом // Universum: химия и биолия: электрон. научн. журн. – 2018. – № 3 (45).
3. Лейкин Ю.А. Исследование в области химии комплексообразующих фосфорсодержащих полимеров трехмерной структуры : дис. ... д-ра хим. наук. – М. : МХТИ им. Д.И. Менделеева, 2009. – 440 с.
4. Нецкина О.В. Адсорбция из растворов на твердой поверхности. – Новосибирск, 2015. – С. 3–15.
5. Синтез и исследование хелатообразующего сорбента на основе карбамида, формальдегида, дитизона / Н. Чориева, Н. Ермуратова, Х. Тураев, Ш. Касимов // Химия и химическая инженерия. – 2021. – Т. 2020, № 4. – Ст. 4.
6. Синтез сложных ионообразующих ионов на основе гидролизованного полиакрилонитрила / Ф.Б. Эшкурбонов, Х.Х. Тураев, М.Б. Эшкурбонова, Н.Б. Чориева [и др.] // Universum: химия и биология: электрон. научн. журн. – 2018. – № 7 (49) / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/6115.
7. Сманова З.А., Гафурова Д.А., Савчков А.В. Динатрий 1-(2-пиридилазол)-2-оксинафталин-3,6-дисульфонат: иммобилизованный реагент для определения железа (III) // Российский журнал общей химии. – 2011. – Т. 81, № 4. – С. 739–742.
8. Сорбция ионов Zn (II) и Cr (III) на аниониты и полиамфолиты, полученные на основе местного сырья / Х.М. Исмоилова, Д.Ж. Бекчанов, Ш.Б. Хасанов, Ф.К. Матмурадова // Universum: химия и биология: электрон. научн. журн. – 2019. – № 12 (66).
9. Юшкова О.Г. Иммобилизованный на твердофазной матрице гетарилформазан для концентрирования, разделения и идентификации металлов : дис. – Екатеринбург: Ин-т химии твердого тела УрО РАН, 2004.
10. Brown C.-J., Sheedy M. A new ion exchange process for softening high TDS produced water, SPE/Petroleum Society of CIM/CHOA, Technical Paper № 78941. – Eco-Tec Inc., 2002.
11. Sorption isotherms, pseudo-first-order model and pseudo-second-order model studies of Cu (II) and Pb (II) using defatted Moringa oleifera seed powder / Keno David Kowanga, Erastus Gatebe, Godfrey Omare Mauti, Eliakim Mbaka Mauti Kinetic // The Journal of Phytopharmacology. – 2016. – № 5 (2). – Р. 71–78.