ИССЛЕДОВАНИЕ СИНТЕЗА КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ЖИДКОГО СТЕКЛА

АННОТАЦИЯ

В данной статье изучена литература и работы по тематике поглощающих свойств ионитов и жидкого стекла, карбамидоформальдегидных смол и органо-неорганических ионитов. Изучен механизм синтеза ионитов на основе КФС (карбамидоформальдегидной смолы), коллоидного кремнезола, полимерных гибридных композитов. Идентификация синтезированного ионита была проведена с использованием современного метода контроля. Изучены сорбционные свойства полученного композиционного ионита по отношению к ионам Ca²⁺, Cu²⁺, Ni²⁺ и Mg²⁺. Изучено использование полученного ионита в промышленных масштабах.

ABSTRACT

This article examines the literature and works on the subject of the absorption properties of ion exchangers and liquid glass, urea-formaldehyde resins and organic-inorganic ion exchangers. The mechanism of synthesis of ion exchangers based on UFR (urea-formaldehyde resin), colloidal silica sol, and polymer hybrid composites has been studied. Identification of the synthesized ion exchanger was carried out using a modern control method. The sorption properties of the resulting composite ion exchanger with respect to Ca²⁺, Cu²⁺, Ni²⁺ and Mg²⁺ ions were studied. The use of the resulting ion exchanger on an industrial scale has been studied.

Ключевые слова: адсорбция, карбамидоформальдегидная смола, коллоидный кремнезол, Трилон-Б, эрихром черный, аммиачный буферный раствор, раствор KI, титрование, раствор NaOH.

Keywords: adsorption, urea-formaldehyde resin, colloidal silica sol, Trilon-B, black erychrome, ammonia buffer solution, KI solution, titration, NaOH solution.

Введение. Адсорбционные процессы чрезвычайно распространены в природе. Любой процесс на поверхности фаз включает в себя физическую адсорбцию как одну из стадий[1]. Не ошибемся, если скажем, что это очень важно для изучения процессов адсорбции, гетерогенного катализа, хроматографии, наполнения и превращения полимеров. Адсорбционные процессы играют важную роль во многих аспектах современных производственных технологий, а также в химической и нефтегазовой промышленности (глубокая сушка и тонкая очистка газов и жидкостей, хранение летучих растворителей, выделение ценных компонентов из газовых и паровых смесей, поглощение токсичных промышленных отходов) [1-6].

Сорбционный метод отличается простотой и удобством, характеристики используемых в процессе сорбции сорбентов известны, расчет адсорбционного оборудования одинаков. Сорбционный метод является комплексным и позволяет одновременно сорбировать несколько веществ, что обеспечивает возможность поглощения целевых веществ более чем на 90 % [2].

Основная часть. В настоящее время отечественная промышленность выпускает активные сорбенты в виде цеолитов, силикагелей, алюминиевых гелей, порошков и гранул различной конфигурации и размеров. Постоянное использование сорбционных материалов в различных технологических процессах предъявляет высокие требования к их функциональным свойствам. К ним относятся высокая прочность, отсутствие посторонних веществ[7], возможность размещения в конструкциях сложной конфигурации, равномерное распределение давления по высоте слоя шихты, исключение трения нижних слоев сорбента, что является характерным недостатком использования традиционных адсорбентов[8].

Иониты — это ионообменные агенты, которые переводят ионы из одной фазы (жидкости или газа) в другую фазу (например, твердую). Иониты широко используются во многих промышленных и научных областях, включая очистку воды, контроль скорости химических реакций и катализ. Иониты бывают преимущественно органического и неорганического типов.

Иониты делятся на следующие виды:

Иониты, поглощающие положительно заряженные ионы, называются катионитами. В основном они поглощают кальций, магний, натрий и другие положительно заряженные ионы.

Иониты, поглощающие отрицательно заряженные ионы, называются анионитами. Они поглощают анионы, такие как хлориды, сульфаты и денитрификаторы.

Жидкое стекло — это жидкий материал с высоким содержанием силиката (SiO₂), который используется во многих отраслях промышленности и изменил свои свойства. По сути,[9] это сжиженная форма силикатных солей, которая во многих случаях широко используется в производстве стекла. Жидкое стекло обычно прозрачное и желтоватого цвета, но его цвет можно изменить[1]. Он обладает особыми свойствами, такими как высокая температура и химическая стабильность. Основным компонентом жидкого стекла является силикат (SiO₂), но иногда могут добавляться и другие модификаторы (например, оксид бора, оксид алюминия, оксид натрия и калия). Эти модификации [10] улучшают свойства жидкого стекла. Жидкое стекло устойчиво к температуре и обладает высокой теплопроводностью. После высыхания и охлаждения жидкое стекло обычно образует твердое и тонкое стекло. Кроме того, он хорошо стоек к химическому воздействию, что позволяет использовать его в различных отраслях промышленности. Жидкое стекло в ряде случаев считается природным материалом, а его биологически вредное воздействие считается незначительным.

Для улучшения всех свойств жидкого стекла используются различные методы модификации. Его механическая стабильность, термостойкость и коррозионная стойкость могут быть повышены за счет химической модификации. Кроме того, добавляя в жидкое стекло наноматериалы или другие модификаторы, можно улучшить его электронные, оптические и механические свойства[11].

Карбамидоформальдегидные смолы состоят из полиоксиметиленовых (–CH₂–O–) связей, состоящих из мочевины и формальдегида (CH₂O). Эти смолы обычно синтезируются при высокой температуре и давлении с использованием кислотных катализаторов. Карбамидоформальдегидные смолы обладают прочными, твердыми и стабильными механическими свойствами. Это делает их очень полезными для многих промышленных применений. Карбамидоформальдегидные смолы устойчивы к высоким температурам и хорошо держат форму. Этот олигомер принадлежит к семейству аминопластов. Карбамидоформальдегидные смолы под воздействием высокой температуры превращаются в твердые нерастворимые полимеры, поэтому относятся к классу термореактивных материалов.

В современном материаловедении понятие гибридного композита встречается на разных уровнях структурных сочетаний. К группе макропористых структур относятся композиционные материалы, называемые гибридами, поскольку при получении таких материалов смешиваются вещества, различающиеся по составу и фазовой природе.

Получение сорбционных композиционных материалов с неорганической и органической матрицей золь-гель методом позволяет легко влиять на их состав, структуру и свойства[12].

Гибридные композиты, содержащие электронодонорную группу, образуют в растворе комплекс с ионами d-металла и сорбируют их. Иониты образуют комплексы, реагируя с молекулами и ионами, имеющими пустые орбитали. Основными показателями таких ионитов являются сорбционная емкость, избирательность сорбции ионов (селективность), константы устойчивости комплекса и структура ионита.

Селективная сорбция металлов, срок использования, сорбционная способность ионита зависят от структуры ионита и запасенных в нем активных групп. В то же время в связи с бурным развитием науки и техники к ионитам предъявляются следующие требования: высокая термохимическая стабильность и селективность в сочетании с достаточной сорбционной способностью[13].

Синтезированные композиты проявляют высокую сорбционную активность по отношению к ионам металлов в различных растворах. Коэффициент статического сорбционного поглощения для этого металла составляет 1,26 раза, а механическая прочность лучше в 1,25 раза, что позволяет использовать их в качестве материалов, отделяющих ионы от технологических растворов[14].

Экспериментальная часть. Первоначально термостабильную трехгорлую колбу снабжали термометром и нагревали с помощью магнитной мешалки. Добавляли 60 мл смеси мочевины, формалина 50%, 60 мл 50% жидкого стекла и эмульгатора (жидкого мыла) в количестве 1% от общей массы смеси и нагревали в течение 1 часа при температуре 90-100⁰ С.

Полученный композит сушили в сушильном шкафу до достижения постоянной массы и перевода в порошкообразное состояние. Высушенный порошок гранулировали в лабораторном грануляторе. Изучена селективность полученного композиционного вещества по отношению к ионам (Mg²⁺, Ca²⁺). Для этого готовили 400 мл растворов 0,2N, MgSO₄, CaCa₂, в которые добавляли 3,5 г ранее приготовленного нами композиционного материала. Оставляли растворы на 4 часа. Через 4 часа растворы фильтровали через фильтровальную бумагу. Для проверки остатков Ca²⁺ и Mg²⁺ в растворе готовили раствор трилона Б (этилендиаминтетрауксусная кислота), индикаторный раствор (эриохромная чернь) и аммиачные буферные растворы. Использовали 0,1 Н раствор Трилона Б.

Сначала наполняем бюретку трилоном Б. Затем в колбе емкостью 50 мл смешивали 5 мл CaCl₂, 5 мл буферного раствора и 0,2 мл черного эрихрома. Раствор стал розовым. Титруйте раствором трилона Б до тех пор, пока цвет раствора не изменит цвет с розового на синий. После введения 9,8 мл раствора Трилона Б раствор окрасился в розовый цвет.

Из мерного цилиндра в колбу для титрования приливают 15 мл 20%-ного раствора КI, 2 мл 2 N серной кислоты и аликвоту (25,00 мл) исследуемого раствора. Накрыв колбу часовым стеклом, смесь оставили в темноте на 5 минут (для завершения реакции). После этого его титровали раствором тиосульфата натрия, титрование проводили в присутствии раствора крахмала (5 мл), при смешивании осадка и раствора он имел бледно-желтую окраску. Избыток одной капли раствора тиосульфата натрия приводит к исчезновению и появлению синей окраски жидкости через определенное время, что указывает на то, что титрование близится к завершению. Скорость титрования замедляют и продолжают до тех пор, пока не исчезнет окраска. Когда раствор окрасится в цвет йодида меди, титрование закончено.  Для получения точного результата титрование повторяют 2-3 раза и результаты усредняют.

Мы также использовали этот метод для MgSO₄ и NiCl₂, а для титрования Mg использовали 42,8 мл трилона Б.(табл. 1)

Таблица 1.

Таблица селективности сорбции синтезированного ионита

В таблице ниже проанализирована селективность сорбции синтезированного нами ионита по отношению к растворам ионов металлов II валентности (Mg²⁺, Ca²⁺, Cu²⁺, Ni²⁺). Приведены исходная концентрация ионов в растворах (г/экв) и концентрации ионов в растворах после применения ионита.

Заключение. Изучена научная литература по работе коллоидных кремнезольных и карбамидоформальдегидных смол. На основании проведенных научных исследований улучшены его физико-механические свойства путем модификации жидкого стекла различными полимерами. Полученное вещество исследовали в ИК-спектре и установили, что оно соответствует составу полученного вещества. Изучены ионные свойства Mg²⁺, Ca²⁺, Cu²⁺, Ni²⁺ полученного композита и разработана технология экстракции.

Список литературы:

1. Алексеев В.Е. Производство карбамидоформальдегидных смол // Пластические массы, 2004, № 5. – С. 46-48.
2. Кандырин Л.Б., Копырина С.Е., Кулезнева В.Н. Исследование свойств смесей промышленных термореактивных смол // Пластические массы, 2001, № 4. – С. 43-46.
3. Тиллоев, Л. И., Усмонов, Х. Р. У., & Хамидов, Д. Г. (2020). Техническая классификация отходов в газовых химических комплексах. Universum: технические науки, (5-2 (74)), 74-78.
4. Jumayev, A. V. O. G. L., & Tilloyev, L. I. (2020). CHIQINDI SILIKAGELNI TARKIBI VA XOSSALARI. Science and Education, 1(9), 163-169.
5. Jumayev, A. V. O. G. L., & Tilloyev, L. I. (2022). Ishlatilgan silikagelni maydalanish darajasini vaqtga bog’liqligini o’rganish. Science and Education, 3(5), 365-369.
6. Алойдинов, С. Ж. У., Тиллоев, Л. И., & Хамидов, Д. Г. (2021). Исследование показателей отработанного оксида алюминия. Universum: технические науки, (5-4 (86)), 5-9.
7. Салазкин С.Н., Шитиков В.К., Мачуленко Л.Н., Нечаев А.И., Шершнева В.О., Полищук О.Ф. Модификация карбамидоформальдегидных смол фенолами различного строения // Пластические массы, 2000, № 10. – С 24-26.
8. Мубаракшина Л.Ф. Усиление карбамидных пенопластов активными наполнителями // Автореферат канд. дисс. на соиск. степени канд. тех. наук. − Казань, 2008. − 22 с.
9. Солдатов Д.А., Абдрахманова Л.А., Хозин В.Г. Модифицированное связующее на основе карбамидоформальдегидных смол для теплоизоляционных материалов из отходов деревообработки // Матер. междун. НТК «Проблемы строительного материаловедения и новые технологии», ч. 2. − Белгород, 2000. − С. 374-378. 
10. Хозин В.Г., Солдатов Д.А., Абдрахманова Л.А. Каркасно-волокнистые композиты для теплоизоляции в строительстве // Изв. вузов. Строительство, 1999, № 8.
11. . Corriu, R.J.P. Ceramics and Nanostructures from Molecular Precursors / R.J.P. Corriu // Angew. Chem. Int. Ed. – 2000. – V. 39, no. 8. – P. 1376–1398. DOI: 10.1002/(SICI)1521- 3773(20000417)39:83.0.CO;2-S.
12. N.Sh Panoyev., V.N. Axmedov. Kremniyorganik birikmalar asosidagi teploizolyatsion qoplamalarning yangi tarkibini yaratish va xossalarini o‘rganish // Fan va texnologiyalar taraqqiyoti. Ilmiy-texnikaviy jurnal, Buxoro, 2019 №3. 64-69b.
13. V.N Axmedov., K.E Ro‘ziyeva., M.S Raxmatov.,  N.Sh.Panoyev., H.R Ro‘ziyev., S.M Murodjonov. Gidrofob sement olishning ba’zi aspektlari // Fan va texnologiyalar taraqqiyoti. Ilmiy-texnikaviy jurnal, Buxoro, 2018 №1. 69-73b.
14. L.N.Niyazov., Panoyev N.Sh., V.N.Axmedov., S.M Murodjonov., A.A Xaydarov. Гидрофобизация цементных и керамических изделий с использованием водорастворимих кремнийорганических соединений // Композиционные материалы Узбекский научно-технический и производственный журнал, 2019. №1. С106-109.