VIP Studio - сп. "Модерна наука" - Влияние на съотношението на изходните компоненти върху коеф.
Влияние на съотношението на изходните компоненти върху коефициента на набъбване и pH на разтвор на системата r-PAA – r-PEI в присъствието на йони на преходни метали
O.T. Торебеков,(изследовател, Университет Ал-Фараби KazNU)
Т.К. Джумадилов,(главен изследовател, Университет Ал-Фараби КазНУ)
M.W. Дуйсенова,(магистър в катедрата по приложна химия, Университет на KazNTU на името на K.I. Satpayev)
 |
Поредица "Природни и инженерни науки",№ 01-02 2015
Разглежда се ефектът на съотношението на изходните компоненти върху коефициента на набъбване и рН на разтвор на система гел-полиакрилова киселина (g-PAA)-гел-полиетиленимин (g-PEI) в присъствието на преходни d-метални йони. И също така изследва зависимостта на степента на свързване на йони на преходни d-метали от съотношението на изходните компоненти.
Известно е, че полимерните хидрогелове имат висока комплексообразуваща способност по отношение на йони на преходни метали поради наличието на йонни и донорни функционални групи в структурата на макролигандите. При наличие на отрицателно заредени функционални групи комплексообразуването протича по йонния, а при аминогрупите, които доставят несподелената електронна двойка към свободните d-орбитали на металите, по донорно-акцепторния механизъм. Изследването на полимерно-металните комплекси е от гледна точка на решаването на най-важните проблеми на опазването на околната среда (пречистване на природни и отпадъчни води), създаването на топлоустойчиви полимерни материали. В това отношение ние проучихме комплексното образуване на катионни и анионни хидрогелове с йони на преходни метали.За изследването са избрани кобалтов, никелов и меден сулфати. Изглежда интересно да се използват PEI и PAA хидрогелове като полимерен носител. Комплексообразуващата способност на g-PEI се дължи на наличието на имино групи във веригата, които влизат в донорно-акцепторна връзка с метални йони. Акцепторът е метален йон със свободни d-орбитали, донорът е азотен атом, представляващ двойка електрони за образуване на връзка [1]. При изследване на взаимодействието на два хидрогела с метални йони са създадени условия, при които двата гела нямат контакт един с друг. Те бяха поставени в отделни бутилки, които бяха разделени от стъклен филтър, пропусклив за нискомолекулни метални съединения.
Гел от полиакрилова киселина чрез радикална полимеризация на мономери на акрилова киселина в присъствието на N,N-метиленбисакриламид във водна среда при температура 343K. Като инициатор е използвана редокс система (Na2S2O3 и K2S2O8) [2]. Получените проби се промиват с дестилирана вода до постоянно рН в продължение на две седмици. Изсушава се до постоянно тегло при стайна температура.
Полиетилениминовият гел се синтезира съгласно процедурата [3] от 10% разтвори на предварително синтезирани полимери в диметилформамид в присъствието на епоксиден омрежващ агент, епихлорохидрин, при температура 338 K до точката на желиране. Полученият омрежен полимер се третира в 0.1 М разтвор на солна киселина и се промива многократно в голям обем вода в продължение на две седмици.
Коефициентът на набъбване (Kn) на хидрогеловете се определя гравиметрично като маса вода на единица маса сух гел и се изчислява по формулата [4]:
Kn - коефициент на набъбване, g/g;
m е масата на набъбналия хидрогел, g;
m o - маса на сух гел.
РЕЗУЛТАТИ И ТЯХНОТО ОБСЪЖДАНЕ
На фиг. Фигура 1 показва зависимостта на коефициента на набъбване на PEI гел и PAA гел от съотношението на първоначалните компоненти в присъствието на преходни d-метални йони (Co 2+, Ni 2+, Cu 2+).
1 - g-PAK, 2 - g-PEI
Фигура 1. - Зависимост на коефициента на набъбване от съотношението на изходните компоненти.
Както се вижда от представените данни по време на комплексообразуването на хидрогел на полиакрилна киселина с кобалтов (II) йон, коефициентът на набъбване на g-PAA намалява с добавянето на g-PEI до съотношението g-PAA/g-PEI=3:3; При наличието на медни (II) и никелови (II) йони в изследваната система като цяло се наблюдава подобна зависимост на коефициента на набъбване на PAA гела от съотношението на изходните компоненти. С изключение на това, че в присъствието на никелови йони, коефициентът на набъбване първоначално до g-PAA/g-PEI=2:4 е незначителен, а когато g-PAA/g-PEI=1:5 нараства забележимо. В присъствието на медни йони, намаляването на Kn настъпва до g-PAA/g-PEI=2:4. Това изглежда се дължи на естеството на метала.
Известно е, че полиелектролитните хидрогелове са чувствителни към рН и са способни на йонизация при промяна на рН на средата. Хидрогеловете, съдържащи киселинни групи, набъбват в алкална среда, но претърпяват свиване в кисела среда, докато хидрогеловете с основни групи набъбват в кисела среда и претърпяват свиване с повишаване на pH [5,6].
На фиг. Фигура 2 показва, че комплексното образуване на g-PAA, g-PEI с йони на преходен метал е придружено от повишаване на рН на свръхгелната среда.течности, за всички системи pH варира от 3,0 до 7,0. В същото време се наблюдава повишаване на рН на свръхгелната течност с увеличаване на моларното съдържание на g-PEI. Промяната в рН на средата в процеса на комплексообразуване може да служи като количествена мярка за дълбочината на реакцията. При ниско съдържание на метални йони повечето от тях са в разтвор, което може да се обясни от гледна точка на установяването на равновесието на Донан между повърхността на геловете и концентрацията на функционалните групи на мрежата и метала.
Фигура 2 - Зависимостта на рН на разтвора от съотношението на изходните компоненти.
Полимерните композити, базирани на триизмерни структури от полиакрилова киселина и полиетиленимин, съдържат амино и карбоксилни групи, които са способни да взаимодействат с йони на преходен метал, за да образуват тройни полимер-метални комплекси. Способността на интергелните композити да сорбират метални йони прави възможно използването им като полимерни сорбенти за концентриране и извличане на йони на тежки метали от промишлени отпадъчни води и замърсени почви. В тази връзка се определя степента на свързване на PAA, PEI хидрогелове и техните състави с йони на кобалт (II), никел (II) и мед (II).
На фиг. Фигура 3 показва зависимостта на степента на свързване на кобалтовия йон от системата g-PAA/g-PEI от съотношението на изходните компоненти. Установено е, че с увеличаване на количеството полиетилениминов гел в състава, кривите на изследваната зависимост имат екстремен характер.
1 - g-PAK, 2 - g-PEI
Фигура 3. - Зависимост на степента на свързване на кобалтовия йон от PAA хидрогелове,
PEI от съотношението на изходните компоненти.
Подобни зависимости са получени и за медни йонии никел, получените данни са обобщени в табл. 1.
От анализа на данните в таблица 1 следва, че най-висока степен на свързване на хидрогелни състави с кобалтови йони се наблюдава при съотношение PAA:PEI=2:4 (41%), мед - 1:5 (65%), никел - 1:5 (50%), а най-ниска степен на свързване се наблюдава за никелова сол при съотношение PAA:PEI=3:3 (1%).
Таблица 1. Степен на свързване на полиакрилова киселина и полиетиленимин хидрогелове и техните състави със соли на преходни метали.