Кинетика и термодинамика процесса сорбции органических ионов полимерным сорбентом на основе полиакрилонитрила

Kinetics and thermodynamics of the process of sorption of organic ions by a polymeric sorbent based on polyacrylonitrile
Цитировать:
Кинетика и термодинамика процесса сорбции органических ионов полимерным сорбентом на основе полиакрилонитрила // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. Шахидова Д.Н. [и др.]. 2019. № 12 (66). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/8154 (дата обращения: 11.08.2022).
Прочитать статью:

АННОТАЦИЯ

Статья посвящена исследованию кинетики и термодинамики сорбции Арсеназы III в статических условиях на волокнистом сорбенте СМА-1, полученное химической модификацией полиакрилонитрила.

ABSTRACT

This report is devoted to the study of the kinetics and thermodynamics of sorption of Arsenase III under static conditions on a fibrous sorbent СМА-1, obtained by chemical modification of polyacrylonitrile.

 

Ключевые слова: полиакрилонитрил, комплекс, анионит, сорбция, модификация, кинетика, термодинамик процесс.

Keywords: polyacrylonitrile, complex, anion exchange resin, sorption, modification, kinetics, hermodynamics process.

 

ВВЕДЕНИЕ

Количественное определение следовых количеств тяжелых металлов в объектах окружающей среды (природных и сточных водах и т.п.) вызывает у экологов, химиков-аналитиков определенные затруднения. Это объясняется тем, что известные методы определения недостаточно чувствительны.

Одним из эффективных приемов повышения чувствительности в практике химического анализа является предварительное концентрирование. Один из способов концентрирования – сорбция на разного вида сорбентах. В последнее время в аналитической практике получили широкое распространение модифицированные сорбенты, созданные иммобилизацией органических реагентов – комплексообразователей на различные носители [1, 2].

Исследования последних лет [3-9] показали, что химико-аналитические свойства иммобилизованных реагентов, в особенности комплексообразующая способность, зачастую заметно отличаются от их свойств в растворе. При этом химизм взаимодействия в двухфазной системе «определяемое вещество в растворе – аналитический реагент», закрепленный на поверхности твердого носителя изучен в недостаточной степени.

Таким образом, использование органических реагентов, закрепленных на твердой матрице, представляет собой новое направление в современной химической науке, развивающееся на стыке аналитической и химии высокомолекулярных соединений.

Исходя, из вышеизложенного были исследованы и оптимизированы процессы, условия получения ряда иммобилизованных реагентов на полимерную матрицу. Изучены их комплексообразование с ионами тяжелых и токсичных металлов [10-15].

Арсеназо III был предложен в качестве аналитического реагента и благодаря его ценным свойствам довольно быстро нашел широкое практическое применение. Этот реагент применяется при фотометрических определениях и концентрировании более 30 металлов с образованием окрашенных комплексов, включая ионы 15 редкоземельных металлов. Фотометрические методы с использованием Арсеназо III характеризуются высокой чувствительностью, предел обнаружения, которых равен 0,01-0,1мкг/см3.

Была осуществлена иммобилизация арсеназо (III) на полимерный сорбент и полученный полимерный реагент был использован для определения ионов железо (III).

Однако до настоящего времени не было изучена кинетика и термодинамика процесса иммобилизации, что естественно позволило бы оптимизировать данный процесс. Связи с этим в данной работе были исследованы физико-химические основы процесса сорбции арсеназо (III) на волокнистых сорбентов. В качестве полимера содержащий в своём составе несколько первичных аминогрупп был использован анионообменный волокнистый материал СМА-1 (продукт модификации нитрона гексаметилендиамином), который был получен на основе волокна «нитрон» и имел СОЕ по HCl равной 3,2 мг-экв/г.

Результаты, полученные при иммобилизации арсеназо (III) на различных носителях показали, что арсеназо (III) хорошо связывается с волокнистым сорбентом СМА-1. Из-за наличия сильноосновных групп, сорбент полученный модификацией гексаметилендиамином (CМА-1) полиакрилонитрильного волокна нитрон в отличии от сорбентов полученных модификацией гидроксиламином и гидразином хорошо сорбирует арсеназо (III) [16-19].

 

Рисунок 1. Кинетика сорбции арсеназо (III) ионообменным волокном СМА-1

1, 2, 3- температуры сорбции 293, 303, 313К соответственно, С=0,1г/л.

 

Рисунок 2. Кинетика сорбции арсеназо (III) ионообменным волокном СМА-1

 1, 2, 3- температуры сорбции 293, 303, 313 К соответственно, С=0,2 г/л.

 

Рисунок 3. Кинетика сорбции арсеназо (III) ионообменным волокном СМА-1

 1, 2, 3- температуры сорбции 293, 303, 313 К соответственно, С=0,25г/л.

 

На рис. 1-3 представлены кинетические кривые сорбции арсеназо (III) сорбентом СМА-1 при различных температурах. Из кривых видно, что насыщение сорбента на начальных стадиях протекает быстро, затем процесс замедляется. Возрастания температуры приводит к увеличению адсорбции.

На рис. 4 и 5 приведены изотермы сорбции арсеназо (III) сорбентом СМА-1 при различных температурах. Видно, что увеличение концентрации органических ионов и повышение температуры в исходном растворе приводит к возрастанию сорбции органического реагента сорбентом СМА-1.

 

Рисунок 4. Изотермы сорбции арсеназо (III) ионообменным волокном СМА-1 при различных температурах

1, 2, 3- температуры сорбции 293, 303, 313 К соответственно.

 

Рисунок 5. Зависимость 1/Г от 1/С для сорбции арсеназо (III) сорбентом СМА-1 при различных температурах

1, 2, 3- температуры сорбции соответственно 293, 303, 313К.

 

Как видно из рис.5, это зависимость имеет прямолинейный характер, что свидетельствует о подчинении данной системы мономолекулярной адсорбционной теории Ленгмюра.

В таблице представлены значения Кр и данные изменение термодинамических функций процесса адсорбции арсеназо (III) сорбентом СМА-1.

Как видно из таблицы величина константы равновесия адсорбции намного выше единицы, что свидетельствует о сильном связывании процесса сорбции арсеназо (III) сорбентом СМА-1. При этом надо отметить что, не смотря на возрастания адсорбции с увеличением температуры значения константы равновесия уменьшается. Такое изменение значения константы с температурой указывает на то, что связывания протекает не только за счет ионного обмена но и других слабых сил связывания, которые ослабляются с увеличением температуры и приводят к уменьшению значения константы равновесия.

Таблица 1.

Значения константы равновесия (Кр) и изменения термодинамических функций при сорбции сорбентов СМА-1 с арсеназо (III)

Т,

К

Г¥*10-4

моль/г

К

DG,

Дж/моль

DH,

Дж/моль

DS,

Дж/моль·К

293

5,3

3558,7

-19955

 

-59,8

303

8,3

2573,8

-19892

-37500

-58,1

313

13,3

1503,8

-19039

 

-58,9

 

Из представленных данных видно, что изменения термодинамических функции процесса связывания органического реагента арсеназо (III) сорбентом СМА-1 указывают на самопроизвольность данного процесса и компактизации системы.

Таким образом, изучения кинетики и термодинамики процесса связывания арсеназо (III) с волокнистыми сорбентами показало необходимость сильноосновных групп для сильного связывания данного реагента. Такое связывания позволило использовать этот полимерный реагент для аналитического определения ионов различных металлов [10-15].

 

Список литературы:
1. Аль-Хадрами И.С., Королев А.Н., Семенистая Т.В. , Назарова Т.Н., Петров В.В. Исследование сенсорных свойств медьсодержащего полиакрилонитрила. // Изв. Вузов Электроника. 2008, №1, с.20-25.
2. Амелин В.Г. Тест-системы для индикации окружающей среды. // Журн. аналит. химии. 1999. Т. 54, № 7. С. 753-759.
3. Гафурова Д.А., Хакимжанов Б.Ш. Химическая модификация полиакрилонитрила гексаметилендиамином. // Пластмассы со специальными свойствами. Сборник научных трудов. Санкт-Петербург, 2011 г. с. 175-177.
4. Гафурова Д.А., Мусаев У.Н., Хакимжанов Б.Ш., Мухамедиев М.Г. Синтез ионообменных волокнистых материалов на основе нитрона и их применение. // Вестник ТашГУ, 1999, №2, с. 27-29.
5. Гафурова Д.А, Хакимжанов Б.Ш., Мухамедиев М.Г., Мусаев У.Н. Химическая модификация нитрона гексаметилендиамином. // Узб хим.журн. 2000, №1, с.54-57.
6. Золотов Ю.А. и др. Сорбционное концентрирование микроэлементов из растворов: применение в неорганическом анализе / М.: Наука. 2007. 320 с.
7. Золотов Ю.А., Цизин Г.И., Моросанова Е.И., Дмитриенко С.Г. Сорбционное концентрирование микрокомпонентов для целей химического анализа // Успехи химии. 2005. Т.74, вып.1. С.41-66.
8. Липунов И.Н. и др. Твердофазные реагенты с формазановыми группировками для экспресс-анализа токсичных элементов в объектах окружающей среды // Рос. хим. журн. (Ж. Рос. хим. общества им. Д.И. Менделеева). 2006. T. L. -№ 5. - С.64 - 69.
9. Патент IAP 02518. Способ получения волокнистого анионита. / Гафурова Д.А., Хакимджанов Б.Ш., Мусаев У.Н., Мухамедиев М.Г., (Узбекистан). Опубл. 21.10.2004
10. Пирогов А.В. Полиэлектролитные сорбенты для ионной хроматографии. // Журн. анал. химии. 2000. Т.55. №12. С.1285-1291.
11. Саввин С.Б., Дедкова В.П., Швоева О.П. Сорбционно-спектроскопические и тест-методы определения ионов металлов на твердой фазе ионообменных материалов // Успехи химии. 2000. - Т.69. -№ 3. - С. 203-217.
12. Сманова З.А., Геворгян А.М., Гафурова Д.А., Джамалов Х.Т., Бобомурадова М Применение иммобилизованного ксиленолового оранжевого для определение ртути.// Кимё фак. проф.-ўқит. ва ёш олимларининг илмий-амалий конф. материаллари, 14-15 май, Тошкент 2009, 56-59 бет.
13. Сманова З.А., Савичева С.В., Гафурова Д.А. Иммобилизация комплекса палладия с метиланабазин-α-азо-β-нафтолом на полиакрилонитрильных волокнистых сорбентах. // Материалы I Респуб. научно-прак. конф. (с межд. участием) «Зелёная химия»- в интересах устойчивого развития. Самарканд, 26-28 марта 2012 г. с. 442-445
14. Сманова З.А., Геворгян А.М., Гафурова Д.А. Экспресс определение ртути иммобилизованным на полимерные материалы аналитическим реагентом. // Энциклопедия инженера химика. // Изд. ООО «Наука и технологии», №9, 2010 год, с. 40-45.
15. Сманова З.А., Мамаджанова Г.А., Бобомурадова М.С. Определение железа с помощью иммобилизованного Конго красного. // Вестник НУУз, №3, 2009г. с. 39-41.
16. Турабов Н.Т., Эшмурзаев Й.Ш., Гафурова Д.А. Изучение оптимальных условий иммобилизации органических реагентов на волокнистых модифицированных сорбентах. // Вестник НУУз, №3, 2009г. с. 52-56.
17. Шмелева, Д.В. Тест-метод определения железа(3+) в природных и сточных водах. // Материалы Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов 2003». Секция Химия. - 2003. - Т. 1 - С. 50.
18. Raskop М.Р., Grimm A., Seubert A. Polysterene immobilized ionenes as novel stationary phase for ion chromatography. // Microchim. Acta. 2007. V.158. P.85-94.
19. Smanova Z. A., Savchkov A. V., Gafurova D.A. Disodium 1-(2-Pyridylazo)-2-oxynaphthalene-3,6-disulfonate:An Immobilized Reagent for Iron(III) Determination // Russian Journal of General Chemistry, 2011, Vol. 81, No. 4, pp. 739–742.

 

Информация об авторах

ст. преподаватель, Национальный университет Узбекистана им. Мирзо Улугбека,  Узбекистан, г. Ташкент

Senior Lecturer of the Department National University of Uzbekistan named after Mirzo Ulugbek, Uzbekistan, Tashkent

науч. сотр., Национальный университет Узбекистана им. Мирзо Улугбека, Узбекистан, г. Ташкент

research associate National University of Uzbekistan named after Mirzo Ulugbek, Uzbekistan, Tashkent

науч. сотр., Ферганский политехнический институт, Узбекистан, г. Фергана

research associate, Fergana Polytechnic Institute, Uzbekistan, Fergana

д-р хим. наук, доцент, Национальный университет Узбекистана им. Мирзо Улугбека, Узбекистан, г. Ташкент

doctor of chemical sciences, associate professor, National University of Uzbekistan named after Mirzo Ulugbek, Uzbekistan, Tashkent

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), регистрационный номер ЭЛ №ФС77-55878 от 17.06.2013
Учредитель журнала - ООО «МЦНО»
Главный редактор - Ларионов Максим Викторович.
Top