ЭЛЕКТРОННО-МИКРОСКОПИЧЕСКОЕ И ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИОНООБМЕННЫХ МЕМБРАН НА ОСНОВЕ ДИМЕТИЛОЛМОЧЕВИНЫ И ОРТОФОСФОРНОЙ КИСЛОТЫ

АННОТАЦИЯ

В данной статье изучено влияние реакции конденсации диметилолмочевины с ортофосфорной кислотой на протекание массовой полимеризации. С целью изучения влияния количества мономеров на морфологию получаемых ионитов и ионообменных мембран были проведены сканирующие электронно-микроскопические исследования.

ABSTRACT

In this article, the influence of the condensation reaction of dimethylolcarbamide with phosphoric acid on the course of mass polymerization has been studied. In order to study the effect of the amount of monomers on the morphology of the resulting ion exchangers and ion-exchange membranes, scanning electron microscopic studies were carried out.

Ключевые слова: диметилолмочевина, ортофосфорная кислота, морфология, сканирующая электронная микроскопия, ионообменная мембрана.

Keywords: dimethylol urea, phosphoric acid, morphology, scanning electron microscopy, ion-exchange membrane.

Введение

Высокие селективные свойства ионообменных материалов позволяют использовать их очень широко практически во всех областях науки и промышленности. С помощью этих соединений решаются актуальные экологические проблемы [1,2].

В зависимости от степени загрязнения почвы и цели очистки могут применяться разные способы сорбционной очистки. Например, при менее загрязненных сельскохозяйственных почвах сорбенты вносятся только на глубину плодородного слоя и, как правило, не извлекаются из обработанной почвы. В этом процессе широко используют следующие минеральные сорбенты: глины, цеолиты, апатиты и др. [3].

По мнению Ю. В. Нестерова, ионообменные материалы с высокими селективными свойствами имеют потенциал для широкого применения практически во всех областях науки и производственной практики. В частности, промышленные отходы загрязняют водные ресурсы тяжелыми металлами, что вызывает большие проблемы. Важно удалять эти загрязнители из воды для общественного потребления. В целях решения этой проблемы упоминается также использование полиионитных материалов с ионообменными и комплексообразующими свойствами при очистке загрязненной воды, умягчении жесткой воды, опреснении природной воды, используемой для промышленных предприятий. Такие ионообменные сорбенты обладают высокими сорбционными свойствами, дешевы и должны отвечать технологическим, экологическим и экономическим требованиям в процессе водоподготовки. Поэтому многие ученые работают над синтезом высокоэффективных сорбентов и изучением сорбции с их помощью различных ионов [4].

Создана технология получения ионообменных материалов, образующих комплексы, содержащие серу, азот, кислород и фосфор, из диглицидилкарбамида, диглицидилтиокарбамида, диметилолкарбамида и диметилолтиокарбамида и определена структура их комплексных соединений, образующихся с ионами редких и цветных металлов [5].

Экспериментальная часть

Основной задачей настоящей работы является оценка влияния реакции конденсации диметилолмочевины с ортофосфорной кислотой на ход массовой полимеризации. Известно, что масс-эффект соединений мочевины зависит от их строения, концентрации и других факторов, и учет концентрационных эффектов в реакции часто позволяет оценить влияние реагентов на их реакционную способность.

При повышении температуры реакции от 60°С до 100°С процент полимерной структуры увеличивается с 11% до 33% при постоянном соотношении реагентов, повышение температуры в основном приводит к тому, что полимер становится более гомогенным, в результате было обнаружено, что молекулярные массы ДМК+ФК также увеличились. При изучении зависимости скорости расхода ортофосфорной кислоты от соотношения исходных реагентов образование полученных продуктов характеризуется уменьшением тангенса угла отклонения в случае, когда выполняется условие эквимолярности кинетической зависимости нарушается.

Результаты и обсуждение

Исследования показывают, что метод РЭМ широко используется для определения морфологической и поверхностной структуры многих адсорбирующих материалов [6]. Ведь морфологическая структура сорбентов оказывает сильное влияние на их физико-химические свойства.

С целью изучения влияния содержания второго мономера на морфологию ионитов на основе ДМК и ионообменных мембран были проведены сканирующие электронно-микроскопические исследования. Эксперименты в основном проводились с полимер-ионитом ДМК+ФК и мембраной на основе ДМК+ФК+Бентонит Хаудак, полученными в соотношении 1:1.

На рис. 1 представлены результаты сканирующей электронной микроскопии ионита ДМК+ФК, полученные в присутствии различных количеств второго мономера.

Рисунок 1. Сканирующая электронная микроскопия СЭМ поверхности ионита ДМК+ФК и содержания элементов в %

Полученные результаты свидетельствуют о значительной неоднородности полимерного ионита как по размеру и форме, так и по структурной специфике (структуре поверхности и внутренних сфер). Видно, что ионит имеет круглую (овальную) форму, и большинство из них соответствует эллипсоидам с разным соотношением сторон. Полностью сферические частицы встречаются относительно редко. Существует также значительная разница в размерах частиц, от десятых долей микрона до нескольких сотен и даже тысяч микрон, т.е. порядка миллиметров.

Исследователи придают большое значение использованию электронно-микроскопических методов при изучении закономерностей формирования морфологической структуры ионообменных материалов. Механизм формирования пористой и пленочной структуры ионообменных материалов в основном определяется природой инертного разбавителя (порообразователя) и количеством сшивающего агента в реакционной системе [7-8]. При этом полимеризация полимерной цепи на начальных стадиях полимеризации играет ключевую роль в повышении однородности морфологии системы. Для определения морфологического строения синтезированных ионитов были изучены их снимки, сделанные в сканирующем электронном микроскопе.

На вышеупомянутых микрофотографиях СЭМ на рисунке 2 поверхность ионита ДМК+ФК имеет плоскую структуру, а после обработки бентонитом обработанный ионит ДМК+ФК 2-рисунке сформировал пленкообразный материал после введения аминогрупп. На следующем этапе на поверхности аминированного полимера образовались складки с такой же структурой, как это видно из рисунка 2. Это связано с тем, что иононосный сорбент, сформированный на основе ДМК+ФК, имеет большую площадь поверхности и при таком морфологическом строении может проявлять высокие сорбционные свойства в отношении различных ионов металлов.

Рисунок 2. Сканирующая электронная микроскопия поверхности ионита ДМК+ФК+Бентонит Хаудак и содержания элементов, %

Также по данным энергодисперсионного рентгеноспектрального (ЭДС) количественного микроанализа элементов в составе обрабатываемого материала массовые доли элементов фосфора и азота составили 14,08 и 22,91 % соответственно. Можно видеть, что процентное содержание фосфора в результатах, полученных при элементном анализе на вышеуказанном анализаторе EuroEA Elemental Analyzer, относительно низкое. Это связано с поздней стадией реакции и наличием большего количества аминогрупп на поверхности материала. Потому что энергодисперсионный рентгеновский (ЭДС) микроанализ показывает количественную долю элементов на поверхности гранулы. Видно, что массовая доля элемента азота в поликомплексе практически одинакова при анализе обоих элементов.

Выводы

Таким образом, в данной исследовательской работе определены оптимальные условия обработки ионита на основе ДМК+ФК с присутствием бентонита Хаудак для получения ионно-обрабатываемого материала новым способом. С целью выявления структуры и состава ионообменного сорбента, полученного в указанных условиях, его исследовали современными физико-химическими методами. В результате исследований доказано, что продукт, полученный на основе ДМК+ФК, содержит фосфор и азот, имеет пористую структуру и содержит фосфо- и аминогруппы, обладающие как катионными, так и анионообменными свойствами.

Список литературы:

1. Ю. А. Лейкин Физико-химические основы синтеза полимерных сорбентов Москва БИНОМ. 2015. C 15-21.
2. Рожина Д. А., Пан Л. С., Маковеев А. С. Ионообменные свойства биосорбентов на основе морских водорослей и ферроцианидов железа и цинка, селективных к ионам цезия //Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки. 2014.–Т. 19. №. 5.C. 1458-1461.
3. Ласкорин Б.Н., Смирнова Н.М. Физико-химические свойстваионитовых мембран // В сб. Ионообменные сорбенты в промышленности. -Москва: Изд. АН СССР, 1963.- С.71-79.
4. Ю.В. Нестеров. Иониты и ионообмен. Сорбционная технология при добыче урана и других металлов методом подземного выщелачивания. Наука, 2007. -С. 9-451.
5. Эшкурбонов Ф.Б. Синтез и исследование новых эффективных комплексообразующих ионитов // Диссертация на соискание ученой степени доктора химических наук. - Т.: - 2017. - С. 62-66.
6. Singh N.B., Garima Nagpal., Sonal Agrawal., Rachna. Water purification by using Adsorbents: A Review. Environmental Technology & Innovation 11 (2018) p. 204–208
7. Syed S. Recovery of gold from secondary soures // Hydrometallurgy. – 2012. V.115. – P.30-55.
8. Шаулина Л.П. и др. Сорбция соединений благородных металлов сетчатым сополимером 1-винил-1,2,4-триазола с акриловой кислотой // Журн. прикл. Химии. – 2012. –Т.85. №1. – С.38-43.