ИЗУЧЕНИЕ ИК-СПЕКТРА И ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ТЕРМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА СИНТЕЗИРОВАННОГО ОЛЕОГЕЛЯ НОВОГО СОСТАВА

АННОТАЦИЯ

В данной статье синтезирован высоковязкий олеогель на основе бутадиен-стирольного каучука, глутарового альдегида и аммоний персульфата. Изучены условия получения нового олеогеля. Исследовано влияние мольных соотношений исходных веществ, температуры и времени проведения реакции на выход продукта. Синтезированный олеогель был проанализирован методом инфракрасной спектроскопии (ИК), в результате чего были определены характерные пики. По данным термогравиметрического анализа исследованы потери массы и энергозатраты при различных температурах. Рассчитаны различные массовые соотношения олеогелей, полученных на основе бутадиен-стирольного каучука. Изучены результаты ТГА и ДТА олеогелей.

ABSTRACT

In this article, a highly viscous oleogel based on butadiene-styrene rubber, glutaraldehyde, and ammonium persulfate was synthesized. The conditions for obtaining a new oleogel were studied. The influence of the molar ratios of the initial substances, temperature, and reaction time on the product yield was investigated. The synthesized oleogel was analyzed using infrared spectroscopy (IR), resulting in characteristic peaks. According to the thermogravimetric analysis data, mass losses and energy losses at various temperatures were investigated. Various mass ratios of oleogels obtained on the basis of butadiene-styrene rubber have been calculated. The results of TGA and DTA of oleogels were studied.

Ключевые слова: бутадиен-стирольный каучук, глутаровый альдегид, толуол, аммоний персульфат, печь, термометр, обратный холодильник.

Keywords: butadiene-styrene rubber, glutaraldehyde, toluene, ammonium persulfate, furnace, thermometer, reflux condenser.

Введение. В настоящее время разработка и применение эффективных олеогелей и олеогелевых систем является одним из ключевых решений в устранении целого ряда проблем в различных областях. Особенно актуально это в вопросах очистки водоёмов от разливов нефтепродуктов, извлечения органических соединений из промышленных сточных вод, а также в обеспечении чистоты и безопасности водных ресурсов. В процессе добычи и транспортировки нефти на водных объектах, а также при промышленном производстве нередко наблюдаются случаи случайного или преднамеренного пролива нефти и углеводородных продуктов в окружающую среду.

В настоящее время во всём мире ведутся научные исследования, направленные на разработку новых, экологически безопасных и экономически эффективных методов синтеза олеогелей на основе гидрофобных соединений, а также олеогелей на основе гидрофильных соединений, и на расширение их применения в промышленности, сельском хозяйстве и бытовой сфере. В данном направлении особое внимание уделяется разработке новых эффективных технологий получения олеогелей на основе олефинов и акриловых мономеров, а также совершенствованию существующих технологий.

Жиросодержащие сточные воды в настоящее время являются одной из серьёзных экологических проблем. Актуальность проблемы нефтяного загрязнения соответствует масштабам расширения деятельности по поиску и добыче нефти во всём мире, а также росту промышленности. Например, ежегодное мировое потребление нефтепродуктов и растительных масел превышает примерно 100 и 92 миллиона тонн соответственно [1,2]. Это представляет серьёзную экологическую угрозу и остаётся актуальной проблемой как для государственных структур, так и для промышленности. Природные катастрофы, вызванные разливами нефти, наносят значительный ущерб окружающей среде и приводят к серьёзным экономическим последствиям. С 1970 по 2017 год в океаны было пролито более 5,7 млн тонн сырой нефти. Только в 2017 году объём нефти, разлитой в морской воде, составил примерно 7000 тоннa [3, c. 304–315]. Механические методы позволяют физически удалять разлитую нефть и применяются при всех крупных нефтяных разливах, начиная с аварии в Санта-Барбаре в 1969 году. Эти методы доказали свою эффективность в удержании нефти и предотвращении её распространения, однако обладают серьёзными ограничениями. Во-первых, локализация нефти может усиливать её воздействие на местную морскую среду [4].

При очистке разлитой нефти в качестве сорбентов использовались различные природные материалы, такие как рисовая солома, стебли кукурузы, торфяной мох, хлопок, молочай, древесина хлопкового дерева, конопля и шерстяные волокна [5].

Случайные утечки сырой нефти из транспортных цистерн, трубопроводов, буровых платформ, установок и нефтяных скважин, как правило, происходят в процессе добычи и транспортировки нефти по водным путям. Наиболее распространённые нефтяные разливы в водной среде связаны с такими нефтепродуктами, как дизельное топливо, бензин, керосин, смазочные масла, охлаждающие жидкости, бензол, мазут, тяжёлые масла, растворители и другие. Эффективная нейтрализация и оперативная очистка маслянистых плёнок на поверхности воды является крайне важной необходимостью для защиты окружающей среды и сохранения биосферы. Существуют классические физические, химические, термические и биоремедиационные методы, включая боновые заграждения, скиммеры, адсорбенты, поверхностно-активные вещества, дисперсанты, сжигание и биоремедиацию для удаления этих загрязняющих веществ из воды [6]. Технологии приготовления олеогелей. По определению, олеогели представляют собой полимерные сети с гидрофильными свойствами. Хотя олеогели, как правило, изготавливаются на основе гидрофильных мономеров, гидрофобные мономеры иногда используются при подготовке олеогелей для регулирования свойств в специальных областях.

В целом олеогели могут быть получены как из синтетических, так и из природных полимеров. Синтетические полимеры, как правило, более гидрофобны и химически прочнее по сравнению с природными полимерами. Их высокая механическая прочность приводит к более медленной скорости разложения, однако, с другой стороны, именно эта прочность обеспечивает долговечность материала. Эти две противоположные характеристики необходимо сбалансировать посредством оптимального проектирования [7].

Олеогели обычно получают из полярных мономеров. В зависимости от исходных материалов их можно разделить на олеогели на основе природных полимеров, олеогели на основе синтетических полимеров, а также комбинированные системы, объединяющие свойства обоих классов.

С препаративной точки зрения их можно получать посредством привитой полимеризации, сшивающей полимеризации, формирования разветвлённых структур водорастворимых полимеров, радиационного сшивания и других методов. Существует множество типов олеогелей; в основном это слабо сшитые сополимеры акрилата и акриловой кислоты, а также привитые полимеры крахмал–акриловая кислота, полученные методом обратной суспензионной, эмульсионной и растворной полимеризации [8].

Инновационная категория олеогелевых продуктов.

Около тридцати лет назад суперсорбенты получили широкое распространение в других областях, где исключительно важным является их высокое водоудерживающее свойство.

В 1998 году суперпоглощающие олеогели (СПО) были рассмотрены как новая категория водопоглощающих полимерных систем. Первоначальные СПО со временем были преобразованы в олеогели следующего поколения, обладающие более полезными свойствами, такими как высокая механическая прочность и эластичность [9].

Экспериментальная часть: Синтез олеогелей на основе бутадиен-стирольного каучука и глутарового альдегида

Для синтеза был использован бутадиен-стирольный каучук марки СКС-30-АРКМ-15 (БСК). Аммоний персульфат применялся в качестве вторичного реагента. Все реактивы использовались в соответствии с требованиями.

Для осуществления реакции взаимодействия каучуков их предварительно растворяли в выбранном растворителе, переводя из эластичного состояния в жидкий раствор. Для растворения бутадиен-стирольного каучука применялись следующие растворители: толуол, бензол и гептан.

Взвешивали 7 г бутадиен-стирольного каучука и растворяли в 93 г толуола. Полученную смесь помещали в плоско-донную колбу объёмом 250 мл, устойчивую к высоким температурам, снабжённую обратным холодильником. Затем колбу устанавливали в масляную баню для поддержания равномерной температуры. Температуру контролировали с помощью термометра. Реакцию проводили в печи при температуре 85–90°C в течение 8 часов. После завершения процесса печь отключали, а полученный продукт разливали в чашки Петри. Чашки помещали в сушильный шкаф User Manual и сушили при температуре 80°C в течение 24 часов. В результате получали светло-жёлтый, эластичный олеогель — продукт для очистки сточных вод.

Рисунок 1. ИК-спектральный анализ олеогеля, полученного на основе бутадиен-стирольного каучука и глутарового альдегида

При анализе ИК-спектра было установлено, что в области 1082–1132 см⁻¹ наблюдается валентное колебание, соответствующее образованию группы –C=OH. В диапазоне 1639–1699 см⁻¹ зафиксированы валентные колебания высокой интенсивности, что свидетельствует о формировании связей >C=O. В области около 1450 см⁻¹ наблюдаются деформационные колебания, указывающие на присутствие групп –CH₂. В диапазоне 2841–2920 см⁻¹ обнаружены симметричные и асимметричные валентные колебания высокой интенсивности, подтверждающие наличие –CH₂-групп.

Дифференциальный термический анализ (ДТА) и термогравиметрический анализ (ТГА) олеогеля, полученного на основе бутадиен-стирольного каучука и глутарового альдегида, были изучены и приведены на рисунке 2.

Проведём анализ ДТА и ТГА олеогеля, синтезированного на основе бутадиен-стирольного каучука и глутарового альдегида.

Для исследования термических свойств олеогеля применялся анализатор SHIMADZU DTG-60. В процессе исследования в интервале температур 10–500°C одновременно выполнялись термогравиметрический (ТГА) и дифференциальный термический анализ (ДТА) (рисунок 2). Все образцы олеогеля подвергались термическому анализу в динамическом режиме в инертной атмосфере аргона (Ar), при этом подача аргонового газа составляла 80 мл/мин. Изменение температуры проводилось со скоростью 10°C/мин с использованием тигля из алюминия, установленного на подложке из оксида алюминия.

Кроме того, были определены эндотермические и экзотермические эффекты олеогеля.

Рисунок 2. Дифференциальный термогравиметрический анализ (ДТА) олеогеля, полученного на основе бутадиен-стирольного каучука и глутарового альдегида

На рисунке 2 представлены результаты анализа олеогеля, синтезированного в сухой массе. Для олеогеля, полученного на основе бутадиен-стирольного каучука и глутарового альдегида, было выбрано максимальное значение температуры — 500 °C, и его коррозион-oleogel xususiyatlariga oid differenциал термогравиметрический (ДТА), термогравиметрический (ТГА) и производная ТГА-кривой изучены.

При температуре 372,85°C наблюдался один эндотермический пик — максимум на кривой термического анализа, соответствующий процессу поглощения тепла. В эндотермических процессах материал поглощает тепло от внешнего источника, что приводит к изменению его внутреннего энергетического состояния. Изменение энергетического состояния представлено в Таблице 1.

Таблица 1.

Результаты ДТА-анализа олеогеля, полученного на основе бутадиен-стирольного каучука и глутарового альдегида

Анализ термогравиметрической кривой олеогеля, полученного на основе бутадиен-стирольного каучука и глутарового альдегида, показывает, что кривая ТГА имеет два основных температурных интервала интенсивной потери массы. Первый интервал потери массы соответствует диапазону 19,86–340,41°C, второй интервал — 340,41–501,66°C.

Согласно проведённым исследованиям, в первом интервале потери массы величина снижения составляет 0,469 мг, что соответствует 10,310 %, тогда как во втором интервале потери массы величина снижения составляет 4,12 мг, или 89,69 %.

Анализ термогравиметрической кривой (ТГА) (синяя линия) также подтверждает, что основные изменения массы происходят в двух указанных температурных интервалах, что представлено в Таблице 2.

Таблица 2.

Вид анализа ТГА олеогеля, полученного на основе бутадиен-стирольного каучука и гулитарового альдегида.

Дифференциальный термогравиметрический анализ бутадиен-стирольного каучука, представленный на рисунке 1, показывает, что поглощение энергии происходит в диапазоне 325,26-413,57°C. Максимальное поглощение тепла наблюдается при температуре 372,85°C. Результаты анализа приведены в таблице 3 ниже.

Таблица 3.

Анализ результатов кривых ТГА и ДТА на основе бутадиен-стирольного каучука и гулитарного альдегида

Выводы. Результаты ИК-спектрального анализа олеогеля, синтезированного на основе бутадиен-стирольного каучука, глутарового альдегида и аммоний персульфата, показывают, что в области 1082–1132 см⁻¹ наблюдаются валентные колебания, соответствующие образованию группы –C=OH. В диапазоне 1639–1699 см⁻¹ зафиксированы валентные колебания высокой интенсивности, что свидетельствует о присутствии связей >C=O.

Анализ дифференциального термического анализа позволяет сделать вывод, что синтезированный олеогель сохраняет свои свойства даже при высоких температурах, не снижая своей эффективности. Полученный олеогель демонстрирует высокую активность и значительное влияние при поглощении жиров и нефтепродуктов, содержащихся в сточных водах промышленных предприятий.

Правильный выбор и применение олеогелей, наряду с их эффективным использованием, вносит весомый вклад в повышение производительности промышленного производства. Согласно результатам анализа, разработанный олеогель может эксплуатироваться при температуре, превышающей 372,85°C, сохраняя стабильность.

Если рассматривать возможные области применения синтезированного олеогеля, можно отметить, что он может широко использоваться практически во всех секторах промышленности, связанных с работой в водной среде, и является весьма перспективным материалом.

Список литературы:

1. Джалилов А.Т., Тураев Х.Х., Холназаров Б.А., Ширинов Ш.Д. Исследование нового гидрогеля, синтезированного на основе крахмала, акриламида и бентонита // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2019. № 4 (61). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/7136
2. Turakhiya Jignesh M, Savani Hitesh D, Patel Jainish M, Akbari Bhavesh V, Prajapati Neha G, Shah Vyoma S. A review superporous hydrogel (SPH) – an approach for controlled drug delivery. Univ J Pharm 2013:2(1):47–58.
3. Incardona, J.P., Swarts, T.L., Edmunds, R.C., Linbo, T.L., Aquilina-Beck, A., Sloan, C.A., Gardner, L.D., Block, B.A., Scholz, N.L., 2013. 2013. Exxon Valdez to Deepwater Horizon: comparable toxicity of both crude oils to fish early life stages. Aquat. Toxicol. 142, 303–316.
4. Хусанова М. Ф., Киёмов Ш. Н., Джалилов А. Т. Свойства новых олеогелей на основе каучуков //Universum: технические науки. – 2020. – №. 9-2 (78). – С. 92-95
5. Raju KM, Raju MP. Synthesis of novel superabsorbing copolymers for agricultural and horticultural applications. Polym Int 2001;50:946–51. 118
6. Dave, D., Ghaly, A., 2011. Remediation technologies for marine oil spills : a critical review and comparative analysis. Am. J. Environ. Sci. 7, 425–430. https://doi.org/10. 3844/ajessp.2011.423
7. Tabata Y. Biomaterial technology for tissue engineering applications. J R Soc Interf 2009;6:S311–24.
8. Kiatkamjornwong Suda. Superabsorbent polymers and superabsorbent polymer composites. Science Asia 2007;33(Suppl):1.39
9. Turakhiya Jignesh M, Savani Hitesh D, Patel Jainish M, Akbari Bhavesh V, Prajapati Neha G, Shah Vyoma S. A review superporous hydrogel (SPH) – an approach for controlled drug delivery. Univ J Pharm 2013:2(1):47–58.