СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ХЕЛАТООБРАЗУЮЩИХ СОРБЕНТОВ НА ОСНОВЕ МЕЛАМИНА, ФОРМАЛИНА И ЛИМОННОЙ КИСЛОТЫ

АННОТАЦИЯ

В этой статье было проведено исследование синтеза полиамфолита с использованием реакции выхода низкомолекулярных веществ на основе меламина (С₃Н₆N₆), формалина (СН₂О) и лимонной кислоты (C₆H₈O₇), сокращенная формула ионита (МФЛ). При проведении данной химической реакции мольное соотношение исходных веществ составляет 0,02:0,06:0,03, в качестве растворителя использовали NH₄OH. Реакция проводилась при щелочной среде рН=8. Проведены исследования влияния альтернативных температур на процесс поликонденсации меламина, формалина и лимонной кислоты. Поликонденсация изучалась при температурах 100, 110, 120 и 130 ℃, при этом оптимальная температура 100-120 ⁰С. Немаловажное значение при изучении строения и основных свойств нового синтезируемого полиамфолита имеет применение физико-химических методов анализа. Методом Романовской спектроскопии и с использования спектра комбинационного рассеяния установлена химическая структура полученных ионитов.

ABSTRACT

In this article, a study was conducted on the synthesis of polyampholite using the release reaction of low molecular weight substances based on melamine (C3H6N6), formalin (CH2O) and citric acid (C6H8O7), the abbreviated formula of ionite (MFL). During this chemical reaction, the molar ratio of the starting substances is 0.02:0.06:0.03, NH4OH was used as a solvent. The reaction was carried out at an alkaline medium pH = 8. The influence of alternative temperatures on the polycondensation of melamine, formalin and citric acid has been studied. Polycondensation was studied at temperatures of 100, 110, 120 and 130 ℃, with an optimal temperature of 100-120 0C. The use of physico-chemical analysis methods is of great importance in studying the structure and basic properties of the new synthesized polyampholite. The chemical structure of the obtained ionites was determined by Raman spectroscopy and using the Raman scattering spectrum.

Ключевые слова: меламин, формалин, лимонная кислота, реакция поликонденсации.

Keywords: melamine, formalin, citric acid, polycondensation reaction.

Цель исследования –заключается в синтезе полифункциональных полиамфолитов, определении состава, строения и физико-химических свойств полученных соединений, а также использовании синтезированных полиамфолитов в природных объектах.

Задачи исследования:

• синтез новых полифункциональных комплексобразующих полиамфолитов, содержащий в качестве доноров азот и кислород;
• определить структуру и свойства синтезированных  полиамфолитов методами физико-химического анализа;

Введение. Вода, как универсальный растворитель, играет жизненно важную роль в существовании всех живых организмов[1]. Его постоянная циркуляция в гидрологическом цикле имеет решающее значение для поддержания баланса экосистемы. Сточные воды характеризующиеся своим загрязнением, представляют значительный риск для окружающей среды и всех форм жизни[2]. Поэтому перед сбросом загрязненной воды необходима правильная очистка, чтобы смягчить ее вредное воздействие[3,4].

Метод синтеза сорбентов, идентификации, разделения и определения приведена в следующих научно-исследовательских работах: 1-Арил-3-(арил)фенил-5-(Бензотазал-2-Ил) формазан. Выявлена структура лигандов закономерности строения металлов кадмия, никеля и кобальта, возможности и реакции дитизона [5]. В исследовательской работе авторов, установлена сорбция тяжелых металлов Ni, Cd, Zn, Cu и Cr (в форме CrO₄^2-) из поверхностных вод клиноптилолитом КЛТ, модифицированным полиэтиленимином ПЭИ, КЛТ-ПЭИ. Рассмотрено влияние концентрации металлов, pH-среда, ионной силы раствора по отношению к NaCl и размера зерен сорбента на сорбцию металлов. Сорбцию и десорбцию тяжелых металлов 0,2 М HCl изучали в динамических условиях. Показано, что в диапазоне pH от 5 до 7 CLT-PEI характеризуется более высокими коэффициентами распределения металлов. Показано, что исследованные сорбенты, особенно КЛТ-ПЭИ, можно использовать для очистки поверхностных вод различного состава от тяжелых металлов, а также для очистки других растворов с высокой ионной силой [8; С. 808-815].

Методология исследования. Исследования проводились на Раман спектрометре HORIBA Scientific (диапазон 400–4000 см-1) с использованием порошкового метода. Интерпретация спектров осуществлялась с помощью базового программного обеспечения, осуществляющего автоматическое измерение спектров имеющего средства графического отображения их частей и организующего работу с пользовательской библиотекой спектров. Растворы веществ готовили растворением конкретного образца в определенном объеме растворителей.

Синтез полиамфолита МФЛ: 2,52 г (0,02 моля) меламина растворяли в 5 мл (0,06 моль) формалина и добавляли раствор аммония гидроксида до pH=8. Температуру доводили до 80-90 ⁰С, до образования вязкой массы. К полученной вязкой смеси капельно добавляли 5,76 г (0,03 моль) раствора лимонной кислоты и 5 мл аммония гидроксида с перемешиванием.

При повышении температуры до 100-120 ⁰С образовывалась твердая- клейкая масса. Полученную смолистую массу поместили в фарфоровую ступку и высушили в шкафу для сушки при температуре 95 ⁰С в течение 20 часов.

Высушиваный и  измельченный полиамфолит промывали 5 % раствором NaOH и несколько раз дистиллированной водой от низкомолекулярных веществ до нейтрализации. Образовался ионит белого цвета, состоящая из мелких пор. Выход продукта составил 86 %.

Анализ и результаты. Получен полиамфолит (ионит), целью которого является систематизация свойств сорбентов и обеспечение их эффективной работы.

Проведены исследования влияния альтернативных температур на процесс поликонденсации меламина, формалина и лимонной кислоты (МФЛ). Процесс поликонденсации изучали при температурах 100, 110, 120 и 130 ⁰С, при этом оптимальная температура 100-120 ⁰С. При этом определяли зависимость реакции от времени, удельный объем сорбента в воде и значение статической обменной емкости для 0,1 н раствора NaOH. Данные представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Влияние температуры на процесс поликонденсации

Рисунок 1. График зависимости статической обменной емкости синтезированного сорбента МФЛ от температуры

Результаты, представленные в таблице 1 и на рисунке 1, показывают, что продолжительность реакции поликонденсации при температуре 100 ⁰С составляет 5-6,5 часов, обменная емкость ионита определена равной 2,9 мгэкв/г для МФЛ. Это связано с низкой активностью реагентов при определенной температуре.

При повышении температуры реакции до 130°С реакция поликонденсации протекает быстро, время реакции уменьшается до 1,5-2 часов, при этом уменьшаются величина обменной емкости и уровень набухания ионита. По-видимому, структура ионита, образующегося при определенной температуре, более плотная, в результате чего подвижность некоторых групп затрудняется.

В качестве альтернативной температуры поликонденсации была принята 120 °С, время реакции составило 2,5-3 часа, реакция была гомогенной, а обменная емкость для 0,1 Н раствора NaOH имела значение 4,0 мг·экв/г для МФЛ.

Рамановская спектроскопия сорбента МФЛ. Наряду с методами химического анализа важное значение при изучении структурного строения и основных свойств синтезируемого ионита имеет использование физико-химических методов.

Рисунок 2. Рамановский спектр сорбента МФЛ

Результаты Рамановской спектрометрии полученного сорбента показывают, что на рисунке 2 частота валентных колебаний связи -ОН в сорбенте МФЛ находится в районе 3128,42 см^-1, частота валентных колебаний связи -NH находится в районе 3055,95 см^-1, Частота колебаний связи -С =О находится на участке 1667,83 см^-1, деформационная частота колебаний связи -NH находится на участке 1568,20 см^-1, асимметричная частота колебаний связи -COO- находится на участке 1725,93 см^-1, а эфирная связь образовалась в симметричной частоте колебаний 1176,01 см^-1.

Вывод

Хелатирующие полиамфолиты были получены в результате реакции поликонденсации меламина, формалина с лимонной кислотой. Определены альтернативные условия синтеза полученных сорбентов.

Проведены исследования влияния альтернативных температур на процесс поликонденсации меламина, формалина и лимонной кислоты. Процесс реакции поликонденсации изучали при температурах 100, 110, 120 и 130 ℃. Кроме того, определяли зависимость течения реакции от времени, удельный объем сорбента в воде и значение статической обменной емкости (ПАВ) для 0,1 н раствора NaOH.

Структуру полученных ионитов изучали методом Рамановской спектроскопии

Список литературы:

1. Астхана М., Кумар А., Шарма Б.С. (2017). Очистки сточных вод. В: Сингх, Р. (ред.) Принципы и применение экологической биотехнологии для устойчивого будущего. Прикладная экология и инженерия для устойчивого будущего. Спрингер, Сингапур. https://doi.org/10.1007/978-981-10-1866-4_6.
2. Адефеми С.О. и Э.Э. Авокунми (2010), Определение физико-химических параметров и тяжелых металлов в пробах воды из района Итаогболу штата Ондо, Нигерия, Африканский журнал экологической науки и технологий, 4 (3), стр. 145- 148.
3. Алиева Р.А., Абилова У.М., Гусейнова Н.С. и другие. Адсорбционно-фотометрическое определение свинца в печени крупного рогатого скота. J Anal Chem 72, 1161–1166 (2017). https://doi.org/10.1134/S1061934817110028
4. Араб Чамджангали М., Багерян Г., Гударзи Н. и др. Новый и чувствительный метод скорости реакции для спектрофотометрического определения следовых количеств тиомочевины в различных пробах воды, основанный на индукционном периоде. Журнал Anal Sci Technol 6, 10 (2015). https://doi.org/10.1186/s40543-015-0054-5.
5. Ю. П. де Пенья, М. Гальего и М. Валькарсель, J. Anal. В. Спектр., 1994, 9, 691.
6. Катс Э. М., Никашина В. А., Бичкова Ж. А. Сорбция тяжелых металлов Ni, Cd, Cr, Zn, Cu из поверхностной воды на природном и модифицированном клиноптилолитах //Сорбционные и хроматографические процессы. – 2013. – Т. 13. – №. 6.-C. 808-815.