Химия и химические технологии/1. Полимерные и синтетические материалы

К.х.н. Никифорова Т.Е., д.х.н. Козлов, д.т.н. Одинцова О.И.

Ивановский государственный химико-технологический университет, Россия

Сорбция ионов меди модифицированными целлюлозными сорбентами

Целлюлозосодержащие материалы являются участниками различных сорбционных процессов. Это техногенные процессы, связанные с аккумулированием тех или иных веществ и переработкой и утилизацией побочных продуктов, твердых отходов и сточных вод, а также процессы, протекающие в живой природе, связанные с биосорбцией и биоаккумуляцией токсикантов из окружающей среды различными живыми организмами.

Сорбенты на основе целлюлозы широко используются в медицине, фармацевтике и пищевой промышленности при создании лекарственных препаратов пролонгированного действия, полимерных материалов различного функционального назначения и БАД.

Актуальной задачей является создание эффективных и экологически безопасных сорбентов и технологий на их основе, решение которой возможно за счет формирования на целлюлозных сорбентах новых активных центров с заданными свойствами.

Существуют различные методы модифицирования целлюлозосодержащих полимеров, включая механические, физические, химические, механохимические, физико-химические и биохимические виды воздействий [1-3]. Перспективным представляется химическое модифицирование целлюлозосодержащих материалов гидрофильными азотсодержащими полимерами, которые приобретают все большее значение в науке, технике, медицине и сельском хозяйстве, находя применение в качестве флокулянтов в химической промышленности, для очистки оборотных и сточных вод, сахара, ультрафильтрации ферментов, стабилизации взвесей и пищевых жидкостей [4,5], ТВВ в текстильной промышленности [6,7], а также в качестве катализаторов.

Целью настоящей работы является разработка новых эффективных и экологически чистых сорбентов путем модифицирования целлюлозосодержащих материалов гидрофильным азотсодержащим полимером и исследование их сорбционных свойств.

В качестве сорбентов были использованы: пшеничные отруби, древесные сосновые опилки и хлопковое волокно; в качестве модифицирующего агента – водорастворимый азотсодержащий полимер – поливинилпирролидон (ПВП).

Модифицирование сорбентов проводили растворами ПВП с концентрациями 2-10 г/л при комнатной температуре и рН 6 в течение 5 мин, после чего сорбенты отжимали, высушивали и выдерживали в сушильном шкафу при 180-200ºС в течение 5-15 мин, не допуская появления коричневого окрашивания, которое сигнализирует о появлении деструктивных процессов [8]. При этих условиях происходит раскрытие лактамного цикла ПВП с участием карбоксильных групп сорбента и воды и последующее закрепление (иммобилизация) ПВП за счет образования ковалентной связи между его амидными фрагментами >N-CO-CH₂- и –СООН группами целлюлозы.

Для определения параметров, характеризующих предельную сорбционную емкость сорбентов были получены изотермы сорбции ионов меди из водных растворов CuSO₄. Экспериментальные данные хорошо описываются уравнением изотермы адсорбции Лэнгмюра. Величины предельной сорбции А_¥ для исходных сорбентов, а также древесных опилок, хлопкового волокна и пшеничных отрубей, модифицированных ПВП, определенные по модели Лэнгмюра, составили соответственно 0,47, 0,32, 0,16 и 0,73, 0,51, 0,28 моль∙кг^-1.

Обращает на себя внимание необычный факт увеличения сорбции катионов металла сорбентами, обработанными полиэлектролитом, не имеющим анионных центров сорбции и, следовательно, не обладающим сродством к катионам. Были исследованы кислотно-основные свойства амидного фрагмента поливинилпирролидона. Установлено, что в области рН водного раствора 4-10 ПВП находится в нейтральной гидратированной форме в виде лактамного цикла или раскрытого цвиттер- иона. Как показывают квантово-химические расчеты, молекула воды за счет водородной связи ориентирована по отношению к карбонильному кислороду амидного фрагмента. При протонировании ион водорода присоединяется к карбонильному кислороду гидрата лактамного цикла, следовательно, можно предположить, что апротонные кислоты – ионы металлов также будут взаимодействовать с атомом кислорода в процессе сорбции.

Увеличение сорбционной емкости модифицированных сорбентов можно объяснить тем, что в процессе их модифицирования гидрофильным полимером ПВП происходит формирование на поверхности целлюлозных материалов новых центров сорбции, способных прочно связывать ионы тяжелых металлов в виде комплексных структур. Эти изменения находят свое отражение в ИК-спектрах образцов сорбентов, модифицированных ПВП.

Полученные сорбенты могут быть рекомендованы для очистки водных растворов, в том числе и пищевых систем, от ионов Cu (II).

Литература:

1. Никифорова Т.Е., Багровская Н.А., Козлов В.А., Лилин С.А. // Химия растительного сырья. 2009. №1. С. 5-14.

2. Никифорова Т.Е., Козлов В.А., Багровская Н.А., Натареев С.В. // Журнал прикл. химии. 2008. Т. 81. Вып. 7. С. 1096-1100.

3. Никифорова Т.Е., Козлов В.А., Багровская Н.А., Родионова М.В. // Журнал прикл. химии. 2007. Т. 80. Вып. 2. С. 236-241.

4. Сидельковская Ф.П. Химия N- винилпирролидона и его полимеров. М.: Наука. 1970. 150 с.

5. Кирш Ю.Э. Поли-N-винилпирролидон и другие поли-N-виниламиды: Синтез и физико-химические свойства. М.: Наука. 1998. 252с.

6. Одинцова О.И., Кротова М.Н., Мельников Б.Н. // Журнал прикл. химии. 2009. Т. 82. Вып. 3. С. 467-471.

7. Одинцова О.И., Кротова М.Н., Куваева Е.Ю., Рукавишникова Ю.А., Фирсова В.А.// Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология, 2012. т.55, № 5.С. 95-100.

8. Никифорова Т.Е., Козлов В.А., Одинцова О.И., Кротова М.Н., Гагина А.Н. // Журн. прикл. химии. 2010. Т 83. Вып. 7. С.1068-1072.