Регистрация / Вход
Прислать материал

Получение комплексообразующего сорбента повышенной емкости на базе экологически безопасных комплексонов

Сведения об участнике
ФИО
Волчкова Елена Сергеевна
Вуз
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный университет"
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Новые материалы. Производственные технологии и процессы
Раздел области наук
Производственные технологии
Тема
Получение комплексообразующего сорбента повышенной емкости на базе экологически безопасных комплексонов
Резюме
Комплексообразующие сорбенты существенно расширяют сферу своего применения. Сдерживающим фактором их применения является невысокая сорбционная емкость.
Цель исследований - создание комплексообразующих сорбентов повышенной сорбционной емкости. Для этого решались задачи:
- подбор экологически безопасного высокодентатного комплексона для сорбирующего слоя;
- синтез нового сорбента повышенной емкости на полимерной основе.
Нами создан и запатентован сорбент на основе сополимера стирола и дивинилбензола с привитым высокодентатным экологически безопасным комплексоном – иминодиянтарной кислотой (Патент РФ №2585020, опубл. 27.05.2016).
Ключевые слова
комплексообразующие сорбенты, синтез, сорбционная емкость, сополимеры, комплексоны, иминодиянтарная кислота
Цели и задачи
Целью научной работы является создание комплексообразующих сорбентов, у которых радикально (в несколько раз) повышается сорбционная емкость. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- подбор высокодентатного экологически безопасного комплексона в качестве активного сорбирующего слоя;
- синтез комплексообразующего сорбента повышенной емкости на полимерной основе, содержащего высокодентатный экологически безопасный комплексон.
Введение

Вопросы создания комплексообразующих сорбентов непрерывно совершенствуются. Очистка сточных вод и пищевых продуктов, концентрирование и выделение ионов металлов,  катализ многих органических реакций, обескислороживание и обессоливание, вод тепловых электростанций, контроль за содержанием микроэлементов в окружающей среде невозможны без использования ионнообменных материалов. Получение  новых типов комплексообразующих сорбентов является важнейшим направлением развития ионнообменной технологии. Нами создан и запатентован сорбент на основе сополимера стирола и дивинилбензола с привитым высокодентатным экологически безопасным комплексоном – иминодиянтарной кислотой (Патент РФ №2585020, опубл. 27.05.2016).

Методы и материалы

В качестве исходного продукта в синтезе комплексообразующего сорбента использовали сополимер стирола и дивинилбензола. К поверхности матрицы по аминогруппам прививали по две молекулы бромянтарной кислоты с образованием пришитого пятидентатного лиганда - иминодиянтарной кислоты (ИДЯК). Процесс прививки легко осуществим в связи с тем, что в галоидокислотах атом галогена чрезвычайно склонен к реакциям обмена. Сорбционная емкость (СЕ) получаемого  сорбента в 2 и более раз выше СЕ используемых сегодня аналогов. Строение ИДЯК и ее высокая дентатность, равная 5 (четыре карбоксильных и одна аминная группировки), обеспечивают в кислой и нейтральной средах образование комплексов с соотношением Me:L=1:1. Созданный сорбент повышенной емкости Роспатентом в мае 2016 г. признан пионерским (не имеющим аналогов, т.е. в формуле изобретения новизна начинается не со слов «отличающийся тем…», а со слов «характеризующийся тем…») с выдачей патента на «Способ получения комплексообразующего сорбента».

Пример. К 5,4 г порошкообразного сополимера добавляли раствор 0,08 моль NaOH и 0,05 моль бромянтарной кислоты. Смесь кипятили и после подкисления бромистоводородной кислотой до рН=4 получили 9,4 г сорбента, содержащего 4 г иминодиянтарной кислоты.

 

 

Описание и обсуждение результатов

Важнейшей особенностью комплексообразующих сорбентов является их селективность по отношению к металлам. Химические связи у этих сорбентов более прочные, чем в ионнообменниках. Разнообразны также хелатообразующие группы  этих сорбентов. Известны сорбенты, содержащие в своем составе иминодиацетатные группы, иминоацетатные группы, полииминные группы. Сдерживающим фактором применения комплексообразующих сорбентов является невысокая сорбционная емкость. У  сорбентов с  иммобилизованной иминодиуксусной кислотой (ИДУК) сорбционная емкость (СЕ)  0,029 - 0,157 ммоль/г, из-за низкой дентатности ИДУК, равной 3. Существенно большей сорбционной емкостью (СЕ = 1,5 ммоль/г) обладает сорбент на основе сополимера стирола с тетрадентатной N-карбоксиметил-аспарагиновой кислотой. Однако, и этой емкости сорбента недостаточно для решения многих практических задач химической технологии. Существенное повышение сорбционной емкости комплексообразующих сорбентов открывает возможность поддержания экологического равновесия в природе за счет эффективного удаления из окружающей среды тяжелых металлов, которые сегодня туда на 75% поступают техногенно. Об эффективности сорбентов с более высокой комплексообразующей способностью привитых комплексонов при разделении, например, близких по свойствам 3d-металлов свидетельствует более высокая разность констант устойчивости соответствующих комплексов (Таблица).

 

Комплексон

Логарифмы констант устойчивости комплексов

СЕ,  ммоль/г

Co

Ni

Cu

Zn

ИДУК

7,01

8,03

10,60

-

0,03-0,13

КМАК

8,70

10,25

10,98

8,60

1,5

ИДЯК

9,96

11,68

13,92

10,30

3,0

 

Так, разница в устойчивости комплексов кобальта Со и никеля Ni для сорбента с привитым комплексоном КМАК Δ lgK=1,55 (lgKNiL-lgKCoL=10,25-8,70=1,55), тогда как аналогичная разница для привитого комплексона ИДЯК предлагаемого сорбента Δ lgK=1,72. Еще более существенная разница в устойчивости комплексов КМАК и ИДЯК наблюдается при разделении таких металлов как медь Cu и цинк Zn (для КМАК lgKCuL-lgKZnL =10,98-8,60=1,38, а для ИДЯК lgKCuL-lgKZnL =13,92-10,30=3,62).

Высокая эффективность сорбционного концентрирования открывает возможность для анализа следов ионов металлов в различных объектах с помощью распространенного лабораторного оборудования. Кроме указанного аналитического применения имеется целый спектр технологического использования нового поколения сорбентов (удаление или извлечение с последующим использованием металлов, в том числе  и вредных, из сточных вод и вод тепловых электростанций и любых водогрейных установок, пищевых продуктов, почвы, технологических растворов в гидрометаллургии). Создание линейки высокоэфективных комплесообразующих сорбентов обеспечит импортозамещение применяемых сегодня зарубежных аналогов, таких как TSK-Gel Chelate -5PW (TosoHaas, Germany), Iminodiacetic acid Polyol 100 (Serva, Germany).

Используемые источники
Зейналов Р.З. Полимерные комплексообразующие сорбенты/ Автореф. дисс. канд. хим. наук, Махачкала, 2015.
Tolkacheva L. N., Nikol’skii V. M.// Russian Journal of Physical Chemistry A, 2012, Vol. 86, No. 3, 396–398.
Hyvönen H., Aksela R.// Journal of Coordination Chemistry   2012, V. 65, No 19,  3352-3362.
Tolkacheva L. N., Nikol’skii V. M.// Russian Journal of Physical Chemistry A, 2013, Vol. 87, No. 9, p. 1500, pic. 2, 3.
Горелов И.П., Князева Н.Е., Никольский В.М.// Журнал неорганической химии, 2004, т. 49, № 5, С. 878.
Никольский В.М., Князева Н.Е., Горелов И.П.// Журнал неорганической химии, 2004, т. 49, № 5, С. 874.
Толкачева Л.Н., Никольский В.М.// Вестник Казанского технологического университета, 2010, № 1, С. 46.
Патент РФ № 2585020, опубл. 27.05.2016 г. «Способ получения комплексообразующего сорбента»/ Волчкова Е.С., Никольский В.М., Логинова Е.С., Толкачева Л.Н.
Information about the project
Surname Name
Volchkova Elena
Project title
Getting of complexing sorbent increased high-capacity on the basis of ecologically safe complexones
Summary of the project
Complexing sorbents significantly broaden the sphere of the application. A limiting factor of their application is low sorptive capacity.
The purpose of researches - creation of complexing sorbents of the increased sorptive capacity. Problems were for this purpose solved:
- selection of ecologically safe vysokodentatny complexon for the sorbing layer;
- synthesis of a new sorbent of the increased capacity on a polymeric basis.
We have created and patented sorbent is based on a copolymer of styrene and divinylbenzene, grafted highly dentate chelator environmentally friendly - iminodisuccinic acid (RF patent №2585020, published on 05.27.2016.).
Keywords
complexing sorbents, synthesis, sorptive capacity, copolymers, complexones, iminodisuccinic acid