Исследование сорбционной способности фосфорнокислого катионита

Research sorption capacity of phosphoric acid cation-exchange resin
Цитировать:
Исследование сорбционной способности фосфорнокислого катионита // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. Пулатов Х.Л. [и др.]. 2018. № 3 (48). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/5663 (дата обращения: 22.06.2021).
Прочитать статью:

АННОТАЦИЯ

Фосфорилированием стирольно-фурфурольного полимера получен и исследован фосфорнокислый катионит, отличающийся высокой термо-химостойкостью и механической прочностью. Исследованы сорбционные свойства полученного катионита в ряду ионов металлов – медь, никель, кобальт, кальций, магний и др. в зависимости от рН среды, ионной формы катионита и концентрации исследуемых катионов. Установлено, что полученный катионит может быть использован в процессах сорбции исследуемых катионов из различных вод.

ABSTRACT

By phosphorylation of the styrene-furfural polymer obtained and investigated the phosphoric acid cationite, which is characterized by high thermochemical resistance and mechanical strength. The sorption properties of the obtained cation exchanger in a series of metal ions - copper, nickel, cobalt, calcium, magnesium, etc., are studied depending on the pH of the medium, the ionic form of the cation exchanger, and the concentration of the cations under study. It was found that the cation exchanger obtained can be used in the sorption processes of the cations under study from different waters.

 

Ключевые слова: сорбция, стирол, фурфурол, фосфорилирование, катионит, ионный обмен, обменная емкость, сорбция

Keywords: sorption, styrene, furfural, phosphorylation, cation-exchange resin, ion exchange, exchange capacity.

 

Применение ионообменных полимеров в различных отраслях промышленности требует создания ионитов, обладающих высокой термической, химической устойчивостью, стойкостью к действию ионизирующих излучений и рядом специфических свойств. Несмотря на значительное число исследований, посвященных ионообменному методу извлечения и разделения металлов, решение этой проблемы продолжает оставаться важной задачей для гидрометаллургической промышленности. Ввиду широкого применения ионообменных полимеров во многих областях народного хозяйства, науки и техники возрастают требования, предъявляемые промышленностью, к ионитам в отношении их термо-химостойкости, радиационной устойчивости, механической прочности, избирательности к тем или иным ионам металлов и т.д. [2].

Среди известных ионитов важное место с физико-химической точки зрения занимают фосфорсодержащие иониты [3]. Эти иониты обладают рядом ценных свойств, таких как высокая селективность, термо-химостойкость, радиационная устойчивость и др., что позволяет использовать их во многих областях промышленности и народного хозяйства. В настоящее время накоплен большой экспериментальный материал получения различных типов фосфорсодержащих ионитов. Изучение свойств фосфорсодержащих ионитов позволило наметить основные пути их использования во многих областях науки и промышленности.

В работе [4] нами была показана возможность получения новых сульфокатионитов на основе нового ранее не известного стирольно-фурфурольного полимера. Исходя из этого, считая весьма перспективным в плане достижений в области синтеза ионитов, нами с целью получения фосфорнокислых катионитов в качестве полимерной матрицы в реакции полимераналогичных превращений был использован стирольно-фурфурольный полимер. Условия процесса фосфорилирования данного полимера подбирали из опытов, накопленных применительно к реакциям фосфорилирования низко- и высокомолекулярных соединений [1].

Схему реакции получения фосфорнокислого катионита путем фосфорилированием стирольно-фурфурольного полимера с последующим окислением его в азотной кислоте можно представить следующим образом:

 

 

Полученный полимер имел обменную емкость по 0.1N раствору NaOH – 5.5-5.6 мг-экв/г и содержал 16.5 % фосфора.

С целью увеличения величины обменной емкости, т.е. перевода фосфинистых групп в фосфиновую, полимер после промывания водой контактировали в течение 7 часов при температуре 600С концентрированной азотной кислотой. В результате этого, большая часть фосфинистокислых групп окисляется до фосфиновокислых. При этом, содержание фосфора в полимере не изменяется, величина обменной емкости увеличивается до 7.6-8.0 мг-экв/г.

В таблице 1 приведены основные свойства фосфорнокислого катионита полученного при различном мольном соотношении стирола к фурфуролу.

Таблица 1.

Влияние соотношения исходных веществ на свойства полученного катионита

Показатели

Единица измерения

Мольное соотношение стирола к фурфуролу

1:2

1:1.5

1:1

Насыпной вес

г/мл

0.68

0.6

0.5

Удельный объем

мл/г

2.2

2.8

3.5

Статическая обменная емкость:

       

по 0.1 N раствору NaOH

мг-экв/г

5.6

6.5

7.0

по 0.1 N раствору NaCl

-//-

0.8

0.9

1.0

по 0.1 N раствору

СaCl2

Н-форма

-//-

2.6

3.0

3.2

Na-форма

2.8

3.2

3.6

по 0.1 N раствору

MgCl2

Н-форма

-//-

2.6

3.0

3.4

Na-форма

2.8

3.4-4.2

3.6-4.2

по 0.1 N раствору

CuSO4

Н-форма

-//-

1.8

2.0

2.4

Na-форма

2.0

2.2

2.8

Механическая прочность

%

99.5

99.0

99.0

 

Из данных таблицы 1 видно, что фосфорнокислый катионит с лучшими показателями свойств получен при мольном соотношении стирола к фурфуролу 1:1. На основании проведенных исследований за оптимальные условия проведения синтеза стирольно-фурфурольного полимера принято: температура реакции – 90°С, концентрация катализатора ZnCl2 – 0.07 молей на моль фурфурола и мольное соотношение стирола к фурфуролу 1:1.

Для фосфорнокислых катионитов характерны различные типы связей металла с ионогенными группами ионита: ионные связи, смешанные ионно-координационные связи и чисто координационные. Тип связи определяется способностью того или иного металла к образованию донорно-акцепторных комплексов и степенью диссоциации ионообменника. Для металлов, способных к комплексообразованию, возможно образование ионно-координационных связей с равномерным распределением электронной плотности по четырехчленному циклу. Представляло интерес изучить такие свойства исследуемого фосфорнокислого катионита, как сорбционная способность его к ионам меди, никеля, кальция, натрия, кобальта и уранила, имеющим важное значение в современной технике, выявить влияние различных факторов на процесс сорбции этих катионов, а также механизм их сорбции с применением ИК-спектроскопического анализа. С этой целью было изучено взаимодействие катионита в Na- и Н-формах с растворами солей сернокислой меди, никеля, кобальта, хлористого натрия, кальция и нитрата уранила. Результаты исследований приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Сорбция катионов металлов фосфорнокислым катионитом

0.1 N растворы

Н-форма

Na-форма

рН растворы

Сорбировано, мг-экв/г

Коэффициент распределения, мл/г

рН растворы

Сорбировано, мг-экв/г

NaOH

13

6.6-7.6

184

-

-

NaCl

8.13

0.8-1.0

11.5

-

-

CaCl2

6.5

1.1-1.2

120

6.5

3.57-3.6

CuSO4

4.8-5.0

1.2-1.3

66

4.8-5.0

1.75-1.8

CuSO4

11

2.64-2.7

733

11

3.08-3.1

CuSO4

-

-

-

2.35

1.0-1.1

NiSO4

7.6

1.1-1.2

20

2.25

1.0

NiSO4

10

2.0-2.1

84

3.8

3.6

NiSO4

-

-

-

7.6

2.0

NiSO4

-

-

-

10

3.75-3.8

CoSO4

8

2.0-2.05

35

2.36

0.8-0.9

CoSO4

-

-

-

3.18

2.4

CoSO4

-

-

-

8

2.65

 

Данные таблицы 2 свидетельствуют о влиянии природы катиона на сорбируемость фосфорнокислого катионита. Найдено, что исследуемые катионы сорбируются катионитом неодинаково и по способности к сорбции могут быть расположены в следующем порядке:

Ni2+ > Cu2+ > Co2+ > Na+

С целью изучения механизма сорбции катионов указанных металлов нами были сняты ИК-спектры катионита в Н- и Na-форме, насыщенного ионами меди. Согласно литературным данным частоты колебаний для фосфорнокислых групп лежат в области 700-2560 см-1. В спектре катионита в Н-форме наблюдается полосы при 1150 см-1, соответствующие валентным колебаниям связи фосфор-кислород. Полоса поглощения при 1150 см-1 не исчезает в спектре катионита в Na-форме. Испытуемый катионит содержат фосфорнокислые группы, отличающиеся по своим кислотным свойствам рК1=2.8; рК2=7.5. Чем менее диссоциированы фосфорнокислые группы, тем более сильную водородную связь образует фосфорильный кислород с ОН-группами. Поэтому можно ожидать, что по мере насыщения катионита натрием максимум полосы, соответствующей колебаниям связи фосфор-кислород будет несколько смещаться в длинноволновую область в результате разрушения более слабой водородной связи. В спектре катионита в Н-форме наблюдаются не резкие широкие полосы в области 2600-2860 см-1, 2100-2600 см-1 отношенные к валентным колебаниям Р-ОН, связанные водородными связями. В спектре катионита насыщенного натрием эти полосы исчезают. При рассмотрении спектров катионита, насыщенных ионами металлов, в отличие от спектра катионита в Н-форме, появляются полосы при 1060 см-1 для уранила и 1055 см-1 для меди и никеля.

Анализ полученных данных свидетельствует, что исследуемый фосфорнокислый катионит обладает достаточно высокой. сорбционной способностью к ионам испытуемых металлов.

 

Список литературы:
1. Гриссбах Р. Теория и практика ионного обмена. М.:ИЛ, 1963. -С.348-350.
2. Злоненский Ю.П., Даворов Г.Н. // Журнал физич. химии, 1981. - №6 - С.1564-1981.
3. Туробжонов С.М., Шарипова У.И., Пулатов Х.Л., Назирова Р.А. Способ получения фосфорнокислого кати-онита// Патент Республики Узбекистан IAP 03886, 2009 г.
4. Углянская В.А., Чикин Г.А., Селеменев В.Ф., Завьялова Т.А. Инфракрасная спектроскопия ионообменных материалов. — Воронеж: Изд-во ВГУ, 1989. -208 с.

 

Информация об авторах

д-р технических наук, профессор, Ташкентского химико-технологического института 100011, Узбекистан, Ташкент, ул.Навои, дом 36

Doctor of Engineering Sciences, Professor of Tashkent Institute of Chemical Technology, 100011, Uzbekistan, Tashkent, Navoi Str., 36

канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедры «Промышленная экология» Ташкентского химико-технологического института, 100011, Узбекистан, г. Ташкент, ул. Навои 32

Candidate of Engineering Sciences, associate professor, head of the Department of “Industrial ecology”, Tashkent Institute of Chemical Technology, 100011, Uzbekistan, Tashkent, Navoiy Street, 32

д-р технических наук, профессор, ректор Ташкентского химико-технологического института, 100011, Узбекистан, Ташкент, ул. Навои, дом 32

Doctor of Engineering Sciences, Professor, Rector of Tashkent Institute of Chemical Technology, 100011, Uzbekistan, Tashkent, Navoi Str., 32

канд. хим. наук, профессор, Ташкентский химико-технологический институт, 100011, Республика Узбекистан, г. Ташкент, улица Навои, дом №32

Candidate of chemical sciences, Professor, Tashkent chemical-technological institute, 100011, Republic of Uzbekistan, Tashkent, Navoi St.,32

ассистент, Ташкентский химико-технологический институт, 100011, Узбекистан, г. Ташкент, ул. Наваи, дом № 32

Assistant-teacher, Tashkent institute of chemical technology, 100011, Uzbekistan, Tashkent, Navai Street, 32

студентка, Ташкентский химико-технологический институт, 100011, Узбекистан, г. Ташкент, ул. Наваи, дом № 32

Student, Tashkent institute of chemical technology, 100011, Uzbekistan, Tashkent, Navai Street, 32

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), регистрационный номер ЭЛ №ФС77-54434 от 17.06.2013
Учредитель журнала - ООО «МЦНО»
Главный редактор - Ахметов Сайранбек Махсутович.
Top