СИНТЕЗ И СВОЙСТВА ХЕЛАТОБРАЗУЮЩЕГО СОРБЕНТА НА ОСНОВЕ МЕЛАМИНА, ФОРМАЛИНА И ВИННОЙ КИСЛОТЫ

АННОТАЦИЯ

В статье изучены синтез и свойства комплексообразующего сорбента, содержащего атомы азота, серы и кислорода и полученного на основе меламина, формалина и винной кислоты. В качестве оптимальных условий синтеза установлены мольное соотношение исходных веществ 1:3:1,5, температура поликонденсации 120 °С и продолжительность реакции 2,5–3 часа. При данных условиях выход целевого продукта составил 91 %. Определены удельный объём синтезированного сорбента и его статическая обменная ёмкость (СОЕ) по отношению к 0,1 N раствору NaOH, которая составила 3,6 мг-экв/г. Также установлены значения СОЕ по отношению к ионам меди(II), цинка(II) и никеля(II).

ABSTRACT

The article studies the synthesis and properties of a complex-forming nitrogen-, sulfur- and oxygen-containing sorbent based on melamine, formaldehyde and tartaric acid. The optimal synthesis conditions are the molar ratio of the starting substances 1:3:1,5 and a temperature of 120 ^{0C in ammonium hydroxide and a time of 2.5-3 hours. Under these conditions, the yield of the target product is 91%. The specific volume of the resulting sorbent and its static exchange capacity (SEC) for a 0.1 N NaOH solution were determined, which amounted to 3.6 mEq/g. The COE has also been established in relation to copper(II), zinc(II) and nickel(II) ions.}

Ключевые слова: меламин, формалин, винная кислота, реакция поликонденсации, статическая обменная ёмкость (СОЕ)

Keywords: melamine, formalin, tartaric acid, polycondensation reaction, static exchange capacity (SEC)

Введение

В мире ведутся научно-исследовательские работы, направленные на синтез полимерных лигандов и сорбцию ими ионов металлов из сложных растворов. В связи с этим особое внимание уделяется синтезу комплексообразующих лигандов, содержащих азот, фосфор, серу, их физико-химические свойства, определение сорбционной способности лигандов в динамических и статических условиях, влияние различных факторов на сорбционно-десорбционные процессы, с помощью которых происходит очистка технологических растворов от ионов тяжелых и токсичных металлов, выделение металлов из сложных растворов, селективное выделение металлов в виде комплексных соединений, выделению и определению сорбционных способностей лигандов в различных агрессивных средах [1]. При очистке промышленных сточных вод был использован сорбент вермикулита, в котором освещены теоретические и практические аспекты применения вермикулита в качестве высокоэффективного сорбента с учетом его влияния на сорбционные свойства по отношению к ионам меди (II) и кадмия [2; ст. 1068-1073].В научно-исследовательских работах ученых представлены исследования по использованию кальциевого вермикулита для очистки ионов Al3+, Cu2+ и Fe 3+ в сточных водах. [3; ст. 122-123]. Исследование проводилось при очистке катионов из водного раствора сорбента, полученного из древесных отходов - ели. Установлено, что динамическая обменная способность этих сорбентов достигла 22,52 мг/г в исходной концентрации в растворе 52 мг/дм [4; ст. 161-168, 5; ст. 12-20].

Адсорбция поливинилового спирта и поликапроамидных волокон показала, что влияние ионов цинка (II) на адсорбцию никеля (II) возрастает с увеличением его концентрации в растворе и что гидратированное целлюлозное волокно обладает более высокой селективностью по сравнению с ионом Zn²⁺ изучено исследователями на основе практического опыта [6; ст. 83-87].

Целью исследований является синтез комплексо-образующего полифункционального сорбента, изучение условий синтеза, определение состава, строения и свойств полученных соединений, а также применение синтезированных сорбентов на реальных объектах.

Экспериментальная часть

Синтез сорбента МФВ. 2,52 г (0,02 моля) меламин растворяли в 5 мл (0,06 моля) формалина в трехгорлой колбе, снабженной обратным холодильником и механической мешалкой. Для синтеза ионита, образующего комплекс, содержащий азот, серу и кислород, добавляли раствор гидроксида аммония до рН=8. Реакционную смесь нагревали до температуры 80-90 ℃ до образования вязкой массы.

К полученной вязкой смеси по каплям добавляли раствор 4.5 г (0,03 моль) винной кислоты в 5 мл гидроксида аммония и перемешивали. При повышении температуры до 100-120 ℃ образовывалась твердая или клейкая масса. Полученную смолянистую массу поместили в фарфоровую чашку и сушили в сушильном шкафу при температуре 95℃ втечение 20 часов.

После измельчения высушенного полимерного композита его промывали сначала 5% раствором гидроксида натрия для удаления низкомолекулярных веществ, а затем несколько раз дистиллированной водой до нейтральной реакции. В результате образовалась белая зернистая мелкопористя масса. Выход продукта составил 91%.

Результаты и обсуждение

Исходя из поставленных цели и задач исследования, было изучено изучению влияние температуры на реакцию поликонденсации меламина, формалина и винной кислоты (МФВ).. Процесс реакции поликонденсации изучали при температурах: 100, 110, 120 и 130 ℃. В ходе исследований определяли зависимость течения реакции от времени, удельный объем сорбента в воде и значение СОЕ для 0,1 н раствора NaOH. Данные представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Влияние температуры на реакцию поликонденсации и ионообменные свойства полученного сорбента

Результаты, представленные в таблице 1 и на рисунке 1, показывают, что при продолжительности реакции поликонденсации при 100 ℃ в течение 5-

6,5 часов статическая обменная емкость сорбента составляет всего 2,5 мг-экв/г. Это объясняется низкой активностью реагентов при этой температуре.

Рисунок 1. Зависимость СОЕ полученного МФВ - сорбента от температуры синтеза

При повышении температуры реакции до 130 °С скорость реакции поликонденсации увеличивается, при этом время реакции снижается до 1,5-2 часов, а также уменьшаются величина статической обменной емкости и уровень набухания ионита. Отсюда был сделан вывод, что структура ионита, синтезируемого в этих условиях, более плотная, в результате чего подвижность ионогенных групп затрудняется. В результате проведенных исследований получены оптимальные условия для получения эффективного сорбента: температура реакции поликонденсации 120 °С, время реакции -2,5-3 часа. При этом обменная емкость по 0,1 Н раствору NaOH составила 3,6 мг- экв/г.

В задачи исследования также входило: определение влияния структуры и свойств исходных материалов на структуру и свойства ионита, выбор вариантов синтеза ионита с высокими эксплуатационными характеристиками, изучение влияния соотношения исходных материалов на его приготовление.

При взаимодействии меламина с формалином и винной кислотой, меламина является не только конденсирующим агентом, но и сшивающим агентом, и от её концентрации зависят основные сорбционные и физико-химические свойства полученного ионита. Были синтезированы различные образцы ионита для получения сшитого ионита меламина, формалина и лимонной кислоты, при различных мольных соотношениях реагирующих веществ.

Реакцию поликонденсации проводили при мольном соотношении реагентов от 1:3:0,5 до 1:3:2 меламина, формалина и винной кислота. Результаты исследования влияния количества винной кислоты на характеристики ионного обмена ТКФЛ представлены в таблице 2.