Химия и химические технологии/5. Фундаментальные проблемы создания новых материалов и технологий

Семенович А.В., д.х.н. Лоскутов С.Р.

Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, Россия

Модифицированная кора пихты - слабокислотный катионообменник

Кора пихты сибирской (Abies sibirica Ledeb.) является в России многотоннажным отходом окорки древесины. Химическое модифицирование коры пихты позволяет получать сорбент, обладающий свойствами слабокислотного катионообменника. Модифицирование коры осуществляли по методам [2; 3] путем ее обработки формальдегидом в присутствии неорганической кислоты.

Установлено, что сорбционная способность получаемого продукта по отношению к катионам металлов Cu²⁺, Co²⁺, Zn²⁺, Ca²⁺ варьирует от 4 до 21.3 мг Ме²⁺/г сухого сорбента. На его сорбционную способность оказывает существенное влияние продолжительность воздействия модифицирующего раствора. При этом тип катализатора такого влияния не оказывает при одинаковой продолжительности обработки. Сорбционная способность модифицированной коры пихты (МКП) зависит и от таких факторов как: исходная концентрация катиона металла (Ме²⁺) в растворе (она максимальна при высокой концентрации Ме²⁺), рН раствора (адсорбция катионов Ме²⁺ из растворов эффективна в интервале рН от 6.13 до 10.55), тип катиона Ме²⁺ (например, катионы Zn²⁺ адсорбируются лучше, чем другие катионы, а катионы Ca²⁺ - извлекаются из растворов хуже других).

Идентификация функциональных групп на поверхности натуральной коры, характер взаимодействия с формальдегидом в кислой среде, а также характер взаимодействия МКП с катионами Zn²⁺ исследовались методом ИК-спектроскопии. ИК-cпектры пропускания твердых образцов получены с помощью ИК-Фурье спектрометра VERTEX80VBB («Bruker Optics», Германия) в средней инфракрасной области (4000 – 400 см^-1) и представлены на рисунке 1.

Рисунок 1 - ИК-спектры натуральной коры пихты (кривая 1), модифицированной коры пихты в течение 15 минут в присутствии катализатора H₂SO₄ (кривая 2) и модифицированной коры пихты, насыщенной катионами Zn²⁺ (кривая 3). Концентрация исходного раствора ZnSO₄×7H₂O составляла 361.5 мг/дм³, S_e = 10.25 мг/г. Отношение масса сорбента:объем раствора 1:250 (г:см³).

Из результатов потенциаметрического титрования [1] и ИК-спектроскопии натуральной и модифицированной коры установлено, что в процессе модифицирования в коре происходит образование полимера, цепь которого содержит фенольные остатки, соединенные между собой метиленовыми мостиками и формируются дополнительные кислородсодержащие функциональные группы: гидроксильные, карбоксильные и карбонильные.

Спектрометрические данные указывают на то, что при сорбции катионов Zn²⁺ сорбентом наибольшему влиянию под действием возмущений в комплексе с адсорбированным катионом подвержены колебания связи О-Н фенольных гидроксилов и двойной связи карбонильных групп. Появление новых полос в области волновых чисел 1734.2–1617.0 см^-1, соответствующих асимметричному валентному колебанию СОО^--иона указывает на образование ковалентной связи катиона Zn²⁺ с карбоксильной группой.

Вместе с тем, уменьшение интенсивности в области полос пропускания валентных колебаний связей С=С ароматического кольца и появление новых слабых полос в области 1521.6-1490.3 см^-1 в ИК-спектре сорбента, насыщенного катионами Zn²⁺ свидетельствуют о хелатировании катионов Zn²⁺ функциональными группами сорбента.

Полосы валентных колебаний связей функциональных групп –ОН, -С=О и -С–О–С- в ИК-спектре МКП с катионами Zn²⁺ не изменяют своего положения относительно соответствующих полос в спектрах МКП. Однако наблюдается снижение ширины полос и относительной интенсивности, что свидетельствует об участии функциональных групп сорбента в комплексообразовании за счет водородных связей.

Полученные результаты свидетельствуют о целесообразности использования коры пихты для получения сорбента с катионообменными свойствами, который может быть использован для очистки воды от катионов металлов.

Литература:

1. Лоскутов С.Р., Бутанаева В.Н., Семенович А.В. Сорбционные свойства модифицированной коры Larix sibirica Ledeb., Pinus sylvestris L. и Abies sibirica Ledeb. по отношению к ионам тяжелых металлов (на примере Cu⁺²) // Растительные ресурсы. - 1995. - Т. 31, № 4. - С. 71 - 75.

2. Fujii M., Shioya S., Ito A. Chemically modified coniferous wood barks as scavengers of uranium from sea water // Holzforschung. 1988. - Vol. 4, Issue 5. - P. 295 - 298.

3. Randall J.M., Hautala E., Waiss A.C., Tschernitz J.L. Modified barks as scavengers for heavy metal ions // Forest Products Journal. 1976. – Vol. 26, N 8. – P. 46 – 50.