Получение и свойства волокнистых комплекситов

К числу важнейших проблем, успешное решение которых определяет возможность снижения антропогенного воздействия на окружающую среду, относится очистка сточных вод, в основе которой лежат, как правило, технологии сорбционных процессов. Это делает весьма важной задачу создания различных типов хемосорбционных материалов, в частности волокнистой формы.

Многочисленными исследованиями в области получения и изучения свойств сорбционно-активных волокон доказана эффективность, и универсальность метода модифицирования волокнистых материалов прививочной полимеризацией" с последующим введением функционально-активных групп для получения широкого ассортимента химических волокон экологического назначения, а возможность регенерации позволяет многократно использовать такие сорбенты при концентрировании ионов тяжелых металлов, что делает целесообразным их применение для этих целей.

Современное состояние экологической обстановки определяет интерес к сорбционно-активным материалам и актуальность исследований" в< этой области, направленных на расширение ассортимента хемосорбционных волокон, обеспечивающих создание высокоэффективных процессов! очистки водных сред от ионов тяжелых металлов.

Данная диссертационная работа выполнялась в соответствии, с основными направлениями научных исследований кафедры технологии химических волокон и наноматериалов Государственного образовательного учреждения, высшего профессионального образования «Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина» в, рамках тематического плана Рособразования (темы № 06−633−45 и 09−631−45).

Целью работы являлось, получение аминогидроксилсодержащего волокнистого комплексита и установление закономерностей, сорбции ионов тяжелых металлов;

Для достижения поставленной цели было необходимо: исследовать закономерности синтеза аминогидроксилпроизводных привитого сополимера поликапроамида и полиглицидилметакрилата по реакции полимераналогичных превращенийизучить их строениеустановить условия получения волокнистого комплекситаи изучить основные закономерности процессов, сорбции ионов тяжелых металлов полученным волокнистымкомплекситомНаучная новизна работы. .

1 Впервые экспериментально на основании данных о локальной жесткости полимеров, определенной1 с помощью сканирующей зондовой микроскопии, и их деформационных свойствах, доказано? сохранение линейной формы, привитых цепей: аминопроизводного: сополимера поликапроамида и полиглицидилметакрилата при? использовании в реакции полимераналогичных превращениймоноэтаноламина и образование сетчатой структуры^ случае этилендиамина. Выявленовлияние функциональности алифатических аминов на эффективную энергию активации и конверсию оксирановых групп, обусловленное изменением конформации и молекулярной динамики привитых цепей полиглицидилметакрилата в результате: структурных преобразований в. процессе синтеза его аминопроизводных.

Дано количественноеописание закономерностей процессов сорбциишонов.

Си2+, Сё2+, № 2+ аминогидроксилсодержащим волокнистым, комплекситом.

Определены основные кинетические (скорости сорбции, время полусорбции, коэффициенты внутренней диффузии) и концентрационные степень сорбции: и извлечения, коэффициенты распределения) характеристики процессов, а также координационные свойства 6 комплексов, образующихся в фазе сорбента (константы устойчивости и термодинамические показатели комплексообразования).

Установлено, что процесс сорбции ионов тяжелых металлов данным комплекситом в основном лимитируется внутренней диффузией, а равновесные процессы сорбции ионов меди, никеля, кадмия с высокой достоверностью описываются уравнением Фрейндлиха, а в случае ионов меди и уравнением Ленгмюра.

Практическая значимость.

Найдены условия получения волокнистого комплексита с СОЕНс1 2,3- 2,5 ммоль/г с использованием в качестве прекурсора — модифицированного поликапроамидного волокна, содержащего привитой полиглицидилметакрилат, и ионогенного модификатора моноэтаноламина.

Показана возможность очистки водных сред от ионов меди и никеля до значёний ПДК в области низких концентраций (1−4 ммоль/л), что позволяет рекомендовать полученный комплексит для использования в системах доочистки сточных вод и экологического мониторинга.

Установлена высокая эффективность комплексита на основе аминогидроксилпроизводного ПКА-ПГМА, содержащего ионы серебра, при удалении из воды микробиологических примесей.

1 Литературный обзор Получение и свойства хемосорбционных волокон.

В настоящее время при решении экологических проблем, в частности очистки сточных вод и газовоздушных выбросов важную роль играет способ очистки сред, основанный на сорбционных технологиях. Наибольшее применение в этих процессах получили сорбционно-активные полимерные материалы в виде ионообменных смол и хемосорбционных волокош Следует отметить, что, несмотря на более низкие емкостные показатели волокнистых сорбентов, они имеют ряд преимуществ перед гранулированными ионообменными смолами:

— более высокие: кинетические показателишроцессов сорбции и десорбции, благодаря более развитой удельной поверхности;

— широкое варьирование аппаратурного оформления сорбционных процессов за: счет разнообразия форм волокнистого материала-,.

— значительное ¦ снижение сопротивления? дыханию в респираторах при использовании волокнистого фильтрующегоэлемента- - более: высокая механическая прочность и^{химическая} стойкость волокон-ионитов^к средам" в, которых происходит поглощение ионов:

Кроме того, использование нетканого: полотна? из хемосорбционных волокон для: сорбции различных газов и паров: из газовоздушной1 среды требует меньших энергетических: затрат по сравнению сиспользованием гранулированных сорбентов, поскольку коэффициенты, массообмена при: хемосорбции волокнистыми сорбентами примерно на два порядка больше.

Волокнистые сорбенты оказались эффективны и прииспользовании их в качестве носителейжатализаторов вместо минеральных кислот итидроксидов металлов, поскольку вследствие меньшейстепени осмол ешш достигается более высокая степень чистоты целевых продуктов.

выводы.

1 Синтезированы аминогидроксилпроизводные привитых сополимеров поликапроамида и полиглицидилметакрилата по реакции* полимераналогичных превращений с использованием моноэтаноламина, которые охарактеризованы с помощью химико-аналитических методов, ИК-спектроскопии, атомно-силовой микроскопии, термогравиметрии и дифференциально-сканирующей калориметрии.

2 Установлено, что реакция полимераналогичных превращений привитых сополимеров ПКА-ПГМАмоноэтаноламином характеризуется более низким значением эффективной энергии активации процесса, более высокой конверсией оксирановых групп и сохранением линейной структуры привитого полимера, против пространственно-сшитой при использовании диаминов.

3 Найдены условия, обеспечивающие получение хемосорбционного волокна нового композиционного состава, содержащего 2,3−2,5 ммоль/г сорбционно-активных. групп, способных к комплексообразованию с ионами тяжелых металлов.

4 С использованием ионометрии, спекторофотометрии и рентгенофлуоресцентной спектроскопии исследована сорбция ионов тяжелых металлов (Си2+, Сс12+ и № 2+) полученнымкомплекситом. Определены основные параметры процессов их сорбции.

5 Найдено, что полученные изотермы сорбции ионов меди волокнистым комплекситом хорошо линеаризуются в координатах уравнения* Ленгмюра и Фрейндлиха, а ионов никеля и кадмия только уравнением Фрейндлиха. Полученны аналитические уравненияпозволяющие прогнозировать сорбционную емкость комплексита по отношению к ионам меди в области концентраций от 1 до 10 ммоль/л.

6 Показана высокая активность ионов Си2+ и М2+ в процессах комплексообразования с лигандными группами данного комплексита, что что обеспечивает их извлечение до значений ПДК.

7 Установлен характер зависимости координационной емкости комплексита от рН среды.

8 Показана возможность введения ионов серебра в аминогидроксилпроизводное привитого сополимера ПКА-ПГМА, что позволило получить обеззараживающий фильтрующий материал.

9 Определены прочность (10 сН/текс), удлинение (24%) и коэффициент вариации (17,8%) волокнистого комплексита, полученного путем химического модифицирования поликапроамидного волокна.

10 На примере сорбции ионов меди показано явное преимущество полученного волокнистого комплексита по сравнению с промышленным гранулированным анионитом марки ЭДЭ-10П (ГОСТ 20 301 -74) как по скорости процесса сорбции, так и по емкостным показателям.