ПОЛУЧЕНИЯ СОРБЕНТОВ НА ОСНОВЕ ЛИГНИНА, МОДИФИЦИРОВАННОГО ОРГАНИЧЕСКИМИ СОЕДИНЕНИЯМИ

АННОТАЦИЯ

Данное исследование посвящено разработке технологии получения эффективных сорбентов на основе лигнина, модифицированного органическими соединениями. Лигнин является природным, широко распространённым и возобновляемым биополимером, обладающим сложной ароматической структурой и большим количеством функциональных групп. Благодаря этим свойствам он рассматривается как перспективное сырьё для создания современных сорбционных материалов. Однако низкая адсорбционная способность и селективность исходного лигнина требуют его химической модификации.

В данной работе лигнин подвергался химической модификации с использованием азотсодержащих органических соединений, в частности аминов и аминсодержащих реагентов, при контролируемых условиях. Основной целью модификации являлось введение дополнительных функциональных групп –NH₂ и –OH в структуру лигнина для повышения его сорбционной способности по отношению к ионам тяжёлых металлов и кислым газам, таким как CO₂. Параметры синтеза, включая соотношение реагентов, температуру, pH и время реакции, были оптимизированы.

ABSTRACT

This study is devoted to the development of a technology for producing efficient sorbent materials based on lignin modified with organic compounds. Lignin is a natural, abundant, and renewable biopolymer characterized by a complex aromatic structure and a high content of functional groups. Therefore, it is considered a promising precursor for advanced sorbent materials. However, the low adsorption capacity and selectivity of native lignin necessitate chemical modification to enhance its properties.

In this work, lignin was chemically modified using nitrogen-containing organic compounds, particularly amines and amino-functional reagents, under controlled conditions. The main objective of the modification was to introduce additional –NH₂ and –OH functional groups into the lignin structure to improve its sorption capacity toward heavy metal ions and acidic gases such as CO₂. The synthesis parameters, including reagent ratio, temperature, pH, and reaction time, were systematically optimized.

Ключевые слова: Лигнин, меламин, формальдегид, адсорбция, сорбент, очистка сточных вод, функционализация, аминогруппы, ионы тяжёлых металлов, улавливание CO₂, пористая структура, модификация поверхности.

Keywords: Lignin, melamine, formaldehyde, adsorption, sorbent, wastewater treatment, functionalization, amine groups, heavy metal ions, capture, porous structure, surface modification.

Введение

В настоящее время загрязнение водных ресурсов тяжёлыми металлами (Ni²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺и др.), а также органическими загрязнителями является одной из наиболее актуальных экологических проблем глобального масштаба. Данные загрязнители обладают высокой токсичностью и представляют опасность для живых организмов, а также, вследствие способности к биоаккумуляции, наносят серьёзный вред здоровью человека через пищевые цепи [7,8]. В связи с этим разработка эффективных технологий очистки сточных вод является одним из приоритетных направлений современной химии и экологии.

Среди существующих методов очистки метод адсорбции выделяется высокой эффективностью, простотой и экономической целесообразностью [4,9]. Эффективность данного метода в значительной степени определяется физико-химическими свойствами используемого сорбента, такими как удельная поверхность, пористость, а также количество и природа функциональных групп. В этой связи создание новых, доступных и высокоэффективных сорбционных материалов является важной научной задачей.

Лигнин представляет собой один из основных компонентов растительной биомассы и является сложным природным полимером с ароматической структурой. В промышленности, в частности при производстве целлюлозы и бумаги, он образуется в больших количествах как побочный продукт. Широкая распространённость, низкая стоимость и наличие функциональных групп, таких как фенольные, гидроксильные (-OH) и метоксильные, делают лигнин перспективным материалом для использования в качестве адсорбента [1,2,10]. Однако природный лигнин обладает сравнительно низкими адсорбционными свойствами, что обуславливает необходимость его модификации.

В последние годы активно проводятся исследования по химической модификации лигнина различными органическими соединениями с целью улучшения его функциональных характеристик. Особенно перспективным является использование аминсодержащих соединений (меламин, этилендиамин, полиамины) и формальдегида, позволяющее вводить в структуру лигнина дополнительные активные центры, что значительно повышает его адсорбционную ёмкость и селективность по отношению к ионам тяжёлых металлов [3,4,11]. В результате такой модификации формируется трёхмерная сшитая (cross-linked) структура, содержащая увеличенное количество аминных (-NH₂) и других донорных групп, способных к комплексообразованию с ионами металлов.

Полимерные системы на основе меламина и формальдегида обладают высокой реакционной способностью и при взаимодействии с лигнином образуют стабильные композиционные материалы. Такие материалы характеризуются высокой эффективностью в адсорбции ионов тяжёлых металлов, в частности Ni²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ [11,12]. В связи с этим сорбенты на основе системы лигнин–меламин–формальдегид представляют значительный интерес как экологически безопасные, экономически доступные и высокоэффективные материалы.

Таким образом, разработка технологии получения новых типов сорбентов на основе лигнина, модифицированного органическими соединениями, имеет важное теоретическое и практическое значение. Целью данного исследования является получение высокоэффективного сорбента путём модификации лигнина, выделенного из рисовой соломы, с использованием меламина и формальдегида, а также изучение его адсорбционных свойств.

Материалы и методы исследования

В данном исследовании в качестве исходного сырья использовался лигнин, выделенный из рисовой соломы. Путём химической модификации лигнина с использованием меламина и формальдегида был синтезирован новый сорбционный материал с высокой эффективностью. На первом этапе 2,0 г лигнина были точно взвешены на аналитических весах и помещены в трёхгорлую термостойкую колбу. Для обеспечения равномерной дисперсии к лигнину добавляли 5 мл дистиллированной воды и перемешивали с помощью механической мешалки до получения однородной массы.

Затем в реакционную систему вводили 5 мл 37%-ного раствора формальдегида. Реакционную смесь перемешивали в течение 2 часов. В ходе реакции активные центры ароматической структуры лигнина вступали в реакцию конденсации с формальдегидом с образованием метиленовых (-CH₂-) мостиков, формируя систему лигнин–формальдегид.

На следующем этапе в полученную систему постепенно добавляли 2,0 г меламина при непрерывном перемешивании. Аминогруппы меламина вступали в реакцию с формальдегидом, образуя трёхмерную сшитую полимерную структуру. В результате был получен функционализированный сорбент на основе лигнина–меламина–формальдегида.

Полученный продукт отделяли методом фильтрации и сушили при температуре 60–80 °C. Высушенный сорбент измельчали до однородного размера частиц. Результаты синтеза сорбента при различных массовых соотношениях лигнина, формальдегида и меламина (Таблица 1).

Таблица 1.

Результаты синтеза сорбента при различных массовых соотношениях лигнина, формальдегида и меламина

Результаты и обсуждения

С целью оценки адсорбционных свойств полученный сорбент был помещён в раствор CuSO₄ с концентрацией 0,1 N. Процесс адсорбции проводился в статических условиях при комнатной температуре (≈25 °C) в течение 24 часов. В течение данного времени обеспечивалось установление фазового равновесия между раствором и сорбентом. Полученные результаты показали, что синтезированный сорбент обладает высокой адсорбционной активностью, что обусловлено наличием в его структуре функциональных групп — аминных (-NH₂) и гидроксильных (-OH). Данные группы способны вступать во взаимодействие с ионами Cu²⁺ с образованием прочных координационных и донорно-акцепторных связей. Механизм адсорбции включает несколько основных процессов: (a) координационное связывание ионов Cu²⁺ за счёт неподелённых электронных пар аминогрупп, (б) участие гидроксильных групп в образовании водородных связей и частично в ионном обмене, (с) формирование комплексных соединений на поверхности сорбента. В результате ионы меди (II) эффективно извлекаются из водного раствора. Кроме того, снижение интенсивности окраски раствора и изменение цвета сорбента на зелёный служат визуальным подтверждением успешной иммобилизации ионов Cu²⁺ на поверхности сорбента. Это свидетельствует о высокой эффективности полученного материала и его перспективности для очистки сточных вод от тяжёлых металлов (Рисунок 1).

 a)

 б)

Рисунок 1. Изменение окраски раствора CuSO₄ до и после адсорбции:

а) исходный сорбент;  б) сорбент после адсорбции ионов Cu²⁺.

Заключение

Исследования показали, что сорбент, синтезированный на основе лигнина, меламина и формальдегида, обладает высокой эффективностью при извлечении ионов тяжёлых металлов, в частности Cu²⁺. Высокая адсорбционная способность обусловлена наличием аминных и гидроксильных функциональных групп. Метод синтеза является простым, экономически целесообразным и экологически безопасным. Полученный сорбент может быть рекомендован как перспективный материал для очистки промышленных сточных вод, а также для применения в химической и металлургической промышленности.

Список литературы:

1. Chemical Society Reviews. Lignin valorization: improving lignin processing in the biorefinery // Chem. Soc. Rev. – 2010. – Т. 39. – С. 4465–4482.
2. Science. Catalytic valorization of lignin to high-value chemicals // Science. – 2015. – Т. 347. – С. 1246843.
3. Carbohydrate Polymers. Lignin-based adsorbents for heavy metal ions removal: A review // Carbohydr. Polym. – 2014. – Т. 102. – С. 718–723.
4. Journal of Hazardous Materials. Adsorption of heavy metals from aqueous solution by modified lignin // J. Hazard. Mater. – 2012. – Т. 209–210. – С. 233–239.
5. Bioresource Technology. Preparation of aminated lignin and its application for metal ion adsorption // Bioresour. Technol. – 2013. – Т. 146. – С. 356–361.
6. Industrial Crops and Products. Functionalization of lignin for environmental applications // Ind. Crops Prod. – 2016. – Т. 87. – С. 45–53.
7. World Health Organization. Guidelines for drinking-water quality. – Женева: WHO Press, 2017.
8. United Nations Environment Programme. Global Environment Outlook (GEO-6). – Найроби, 2019.
9. Water Research. Adsorption techniques for wastewater treatment // Water Res. – 2009. – Т. 43. – С. 378–394.
10. Green Chemistry. Lignin-based materials for environmental remediation // Green Chem. – 2018. – Т. 20. – С. 513–533.
11. Reactive and Functional Polymers. Melamine–formaldehyde modified lignin for adsorption of heavy metals // React. Funct. Polym. – 2015. – Т. 92. – С. 45–53.
12. Journal of Applied Polymer Science. Synthesis of crosslinked lignin-based polymers for water purification // J. Appl. Polym. Sci. – 2017. – Т. 134. – С. 45123.