СИНТЕЗ НОВОГО ИОНИТА НА ОСНОВЕ ГЛИЦИДИЛМЕТАКРИЛАТА И ЕГО СОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА

АННОТАЦИЯ

В данной статье синтезирован новый полимерный ионит на основе производных глицидилметакрилата. Исследованы сорбционная емкость и аналитические свойства синтезированного ионита по отношению к ионам металлов. Исследованы состав и структура, свойства ионита, полученного при изменении мольного соотношения исходных веществ, вступающих в реакцию, и зависимость процесса сорбции от значения рН среды.

В исследованиях использованы методы химического, термогравиометрического анализов, а также методы потенциометрического анализа и ИК-сектроскопии.

ABSTRACT

In this article, a new polymeric ion exchange resin based on glycidyl methacrylate derivatives has been synthesized. The sorption capacity and analytical properties of the synthesized ionite with respect to metal ions have been studied. The composition and structure, properties of the ion exchanger obtained by changing the molar ratio of the initial substances entering into the reaction, and the dependence of the sorption process on the pH value of the medium have been studied.

The studies used the methods of chemical, thermograviometric analyzes, as well as the methods of potentiometric analysis and IR spectroscopy.

Ключевые слова: глицидилметакрилат, этилендиамин, сорбент, иониты, статическая обменная емкость, Cu(II), потенциометрическое титрование.

Keywords:  glycidyl methacrylate, ethylenediamine, sorbent, ionites, static exchange capacity, Cu (II), potentiometric titration.

Введение. Активные ионообменники используются в промышленных производственных процессах для отделения металлов от сырья или ионов других металлов, для определения количества тяжелых и токсичных металлов в промышленных отходах и сточных водах [1]. Среди полимеров активной группы важное место занимают полимеры и олигомеры на основе глицидилметакрилата, из которых в промышленности широко используются эпоксидные смолы, полифункциональные ионообменные мембраны, полиэлектролиты. Так, было показано, что, что загрязнение объектов окружающей среды и пищевых продуктов радионуклидами стронция можно выявить и очистить с помощью ионитов на основе эпихлоргидрина и этилендиамина [2-3]. Благодаря наличию в глицидилметакрилате эпоксидной группы и наличию двойной связи из них можно синтезировать активные полимерные иониты [4]. Полимериониты глицидилметакрилата, образованные со стиролом, используют для обнаружения тяжелых и токсичных металлов в загрязненных промышленных водах, а иониты, полученные в результате соединения глицидилметакрилата с аминами, применяют в качестве сорбентов для предконцентрирования и дальнейшего аналитического определения ионов меди [5-6]. Сорбенты, образующиеся в результате реакции глицидилметакрилата с акрилонитрилом и аминокислотами, широко используются для определения элемента стронция [7]. Для выделения меди из смесей других металлов на промышленных предприятиях и природоохранных объектах применяют флотационные и сорбционные методы. В сорбционном методе активные ионообменники используются в процессе концентрирования и разделения металлов в образце с высокой точностью. Иониты должны быть способны быстро обменивать ионы металлов, обладать высокой сорбционной емкостью и быть многоразовыми, обладать очень малой растворимостью, полифункциональными, комплексными свойствами [8-9].

В данной статье представлены экспериментальные исследования по синтезу полимерного ионита на основе глицидилметакрилата и изучению его сорбционных свойств по отношению к ряду d-металлов, в частности, к ионам Cu(II).

Экспериментальная часть. В плоскодонную колбу добавляли 8 мл глицидилметакрилата и 0,15 г хлорида аммония и перемешивали в течение 1 часа с помощью магнитной мешалки. Смешивание проводили сначала при комнатной температуре, а затем в диапазоне температур 70-80°С. К реакционной смеси медленно по каплям добавляли 3 мл раствора этилендиамина и продолжали нагревание в течение 1 часа без изменения температуры при перемешивании магнитной мешалкой. Реакционную среду делали слабощелочной. В конце реакции при понижении температуры до 50ºC образовывались твердые желтые гранулы полимерного ионита. Полученный продукт промывали сначала в 1 н растворе щелочи, затем в 1 н растворе соляной кислоты и, наконец, в дистиллированной воде еще 3-4 раза. Полученный полимер подвергали высушиванию в сушильной печи при температуре 70-60°С в течение 2 часов.

Получение полимерного ионита можно представить следующей реакцией:

Изучено влияние мольного соотношения исходных материалов на выход готового продукта, состав и физико-химические свойства синтезированного полимерного ионита, показавшее, что мольные соотношения глицидилметакрилата и этилендиамина 1:1 могут считаться оптимальными.

В результате были выбраны процессы с высоким выходом реакции и влиянием на ионы Cu(II), Ni(II) и Co(II). С этой целью был проведен следующий эксперимент: в три пробирки, содержащие по 10 мл 1 н. растворов солей сульфата меди, сульфата никеля и хлорида кобальта, соответственно, внесли по 0,03 г синтезированного ионита и наблюдали за процессом сорбции указанных ионов металлов в статическом режиме в течение 6 часов. При этом визуально было отмечено, что цвет растворов изменялся с голубого до светло-голубого в первой пробирке, а во второй – с зеленого до светло-зеленого. а в третьей также произошло осветление раствора.

Результаты статической обменной емкости (СОЕ) были определены с спектрофотометрическим методом, и произведены соответствующие расчеты. В процессе десорбции использовали 0,1 н. раствор HCl. При этом было показано, что что полученный полимерный ионит может быть использован до 50-60 раз в процессах сорбции и десорбции.

В таблице 1 приводятся результаты вышеописанного эксперимента по оптимизации мольных соотношений реагирующих веществ и определении статической обменной емкости полученных полимер-ионитов по отношению к ионам Co(II), Cu(II), Ni(II).

Таблица 1.

Статическая обменная емкость синтезированного полимерного ионита по отношению к ионам металлов

Данные, представленные в таблице 1 подтверждают, что выход продукта и его статическая обменная емкость выше, когда исходные материалы взяты в мольном соотношении 1:1.

Состав и строение синтезированного полимерного ионита исследовали методами ИК-спектроскопии и термогравиометрии.

На рисунке 1 представлен ИК-спектр синтезированного ионита.

Рисунок 1. ИК-спектр полученного полимерного ионита

Согласно анализу полученных результатов, деформационные колебания широких ОН-групп в области 3000-3300 см^-1, валентные колебания NH-группы в области 3344,7 см^-1, также наблюдалось деформационное колебание NH₂-групп в районе 1635,64 см^-1. В областях 1734,01 см^-1 было обнаружено присутствие групп –C=O.

На рисунке 2 приводятся термогравиометрические кривые полимерного ионита.

Рисунок 2. Термический анализ синтезированного полимерного ионита

Таблица 2.

Результаты термического анализа синтезированного полимерного ионита

Зависимости процесса сорбции от времени представлена на рисунке 3.

Рисунок 3. Зависимость процесса сорбции от времени

Изменение величины рН под действием ионов меди разных концентраций на одно и тоже количество полимер-ионита (0,03г) показано на рисунке ниже.

Рисунок 4. Кривые потенциометрического титрования полимер ионита при различной концентрации ионов меди, (моль/л): 0,015 (1), 0,03 (2), 0,045 (3), 0,06 (4)) полимерным ионитом

На рисунке 5 показана зависимость СОЕ от рН раствора.

Рисунок 5. Зависимость сорбционной обменной емкости ионита (СОЕ) для ионов Cu(II), Ni(II) и Co(II) от рН

В ходе проведения этих экспериментов было отмечено, что высокие значения ионной силы раствора, обычно используемые при потенциометрическом титровании полимерных кислот и оснований, позволяют получать более точные значения конечной точки титрования. В связи с этим во всех сериях кривых потенциометрического титрования ионная сила растворов ионов изучаемых металлов составляла 1, и растворы были приготовлены на фоне раствора нейтрального электролита NaCl.

Заключение. В результате проведенных исследований синтезирован новый полимерный ионит. Изучены условия синтеза полимерионита, временная зависимость процесса сорбции, статическая обменная емкость по отношению к металлам, процессы сорбции и десорбции, зависимость СОЕ полимерионита от значения рН среды. Строение и состав полимер-ионита изучены методами физико-химического анализа.

Список литературы:

1. Ергожин Е. Е. и др. Sorption of copper (II) and lead (II) ions by a new chelate-forming ionite based on some copolymers of epoxyacrylates //Химический Журнал Казахстана. – 2018.
2. Джалилов А.Т., Тураeв Х.Х., Касимов Ш.А. Синтeз сорбeнта на основe ди-(2-аминоэтила)-дитифосфата калия и эпихлоргидрина // Universum: химия и биология элeктронный научный журнал, -№9 (39), -сeнтябрь, -2017.
3. Касимов Ш.А., Тураев Х.Х., Джалилов А.Т. Исследование процесса комплексообразования ионов некоторых двухвалентных 3d-металлов с хелатообразуюшим сорбентом // Universum: Химия и биология: электрон. научн. журн. -  2018 №3(45).
4. Уринов, У. К., Ирисбеков, Б. Б., Хазраткулов, Ш. Ш., Комолов, Р. И., Юсупбаев, К. П., & Бахранова, Д. Р. (2021). Синтез и исследование комплексообразующих свойств лиганда на основе морфолина и эпихлоргидрина с медью. Universum: химия и биология, (4 (82)), 81-85.
5. Бектенов, Несипхан Абжапарович, Гульжан Ендихановна Абдралиева. "сорбция ионов хрома (VI) новым анионитом на основе эпоксиакрилатов."Инновatsiи в науке 5-2 (54) (2016): 138-145.
6. Korpayev, Serdar, et al. "Preparation and characterization of ethylenediamine modified glycidyl methacrylate-grafted nonwoven cotton fabric adsorbent." Cellulose 25.1 (2018): 813-828.
7. Bayramoğlu, Gülay, and M. Yakup Arıca. "Ethylenediamine grafted poly (glycidylmethacrylate-co-methylmethacrylate) adsorbent for removal of chromate anions."Separation and purification technology 45.3 (2005): 192-199.
8. Bozkaya O.  Removal of anionic dyes with glycidyl methacrylate-grafted polyethylene terephthalate (PET) fibers modified with ethylenediamine // Research on Chemical Intermediates. – 2021. – Т. 47. – №. 5. – С. 2075-2093.
9. Katchalsky, A., & Gillis, J. (1949). Theory of the potentiometric titration of polymeric acids. Recueil des Travaux Chimiques des Pays‐Bas, 68(9), 879-897.