CC BY
37
ПОЛИКОНДЕНСАЦИОННЫЕ ФОСФОРНОКИСЛЫЕ КАТИОНИТЫ ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ
Пулатов Хайрулла Лутпуллаевич
канд. техн. наук, доцент Ташкентского химико-технологического института,
Узбекистан, г.Ташкент E-mail: [email protected]
Турабжанов Садритдин Махамаддинович
д-р техн. наук, профессор, ректор Ташкентского государственного технического университета
имени Ислама Каримова Узбекистан, г.Ташкент E-mail: tur_sad@mail. ru
Игитов Фаррух Бахтиярович
PhD, старший преподаватель Ташкентского химико-технологического института,
Узбекистан, г.Ташкент E-mail: yigitovf@mail. ru
Хамдамова Одила Батуровна
научный исследователь Ташкентского химико-технологического института,
Узбекистан, г.Ташкент
POLYCONDENSATION TYPE PHOSPHORIC ACID CATIONITES FOR WASTEWATER TREATMENT FROM IONS OF HEAVY METALS
Khayrulla Pulatov
Candidate of Science, Associate Professor of Tashkent Institute of Chemical Technology,
Uzbekistan, Tashkent city
Sadritdin Turabjanov
Doct. tech. Sci., Professor, Rector of Tashkent State Technical University named after Islam Karimov
Uzbekistan, Tashkent city
Farrukh Igitov
PhD, senior teacher of Tashkent Institute of Chemical Technology,
Uzbekistan, Tashkent city
Odila Khamdamova
scientific researcher of Tashkent Institute of Chemical Technology,
Uzbekistan, Tashkent city
АННОТАЦИЯ
Исследованы сорбционные свойства фосфорнокислого катионита на основе стирольно-фурфурольного полимера в ряду ионов металлов - медь, никель, кобальт и др. в зависимости от рН среды, ионной формы катионита и концентрации исследуемых катионов. Показано, что полученный катионит может быть использован в процессах сорбции исследуемых катионов из различных вод.
ABSTRACT
There have been investigated the sorption properties of phosphoric acid cation-exchanger based on styrene-furfural polymer in a series of ions of metals — copper, nickel, cobalt and etc. depending on the pH, the ionic form of the cation-exchanger, and the concentration of the cations under study. It has shown that the obtained cation exchanger can be used in the sorption processes of the studied cations from different waters.
Ключевые слова: сорбция, стирол, фурфурол, фосфорилирование, катионит, ионный обмен, термо-химостой-кость, статическая обменная емкость, динамическая обменная емкость, механическая прочность.
Keywords: sorption, styrene, furfural, phosphorylation, cationite, ion exchange, thermo-chemical stability, static exchange capacity, dynamic exchange capacity, mechanical strength.
Библиографическое описание: Поликонденсационные фосфорнокислые катиониты для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов // Universum: Химия и биология : электрон. научн. журн. Пулатов Х.Л. [и др.]. 2018. № 11(53). URL: http://7universum.com/ru/nature/archive/item/6491
Ускоренное развитие различных отраслей народного хозяйства в Республике Узбекистан (химической, гидрометаллургической, водоподготовки и т.д.) во многом зависит от внедрения достижений современной науки и техники. Всё это связано с одной из злободневных задач современной химии высокомолекулярных соединений - создание и разработка процессов получения ионообменных полимеров, с дальнейшим изучением научных основ управления эксплуатационными свойствами полученных иони-тов [1, с.76-79; 2, с.58-60; 3, с.4-5]. За последние годы достигнуты значительные успехи в области получения ионообменных материалов, однако, многие из них, особенно, поликонденсационного типа, не удовлетворяют потребностей таких производств как гидрометаллургия, очистка сточных и производственных растворов, водоподготовка и др. по доступности, эффективности, сорбционной и селективной способности, что приводит к необходимости синтеза новых ионообменных полимеров. Кроме этого, в настоящее время почти все используемые в производстве иониты ввозятся в Узбекистан из стран СНГ [4, с.3-4].
В свете сказанного, большой практический и теоретический интерес представляет поиск новых иони-тов и эффективных методов модификации существующих ионитов, в этой связи, получение новых ионообменных полимеров на основе отходов химических производств и дальнейшее использование полученных ионитов в процессах очистки производственных, сбросных вод и др., создадут предпосылки для улучшения технико-экономических показателей работы многих отраслей народного хозяйства и, что не менее важно - уменьшение загрязнения окружающей среды [5].
Целью настоящего исследования является получение, изучение свойств и применение нового поликонденсационного фосфорнокислого катионита, полученного на основе стирольно-фурфурольного полимера. Задачами исследования являются фосфо-рилирование нового стирольно-фурфурольного полимера для получения фосфорнокислого катионита,
исследование сорбционной способности полученного катионита по отношению к ионам натрия, калия, кальция, магния, а также ионов тяжелых металлов, исследование комплексо-образующей и избирательной способности испытуемых ионитов к ионам меди, никеля, кобальта и др. [6, с.153-159].
Считая весьма перспективным в плане достижений в области синтеза ионитов, нами с целью получения фосфорсодержащих катионитов в качестве полимерной матрицы в реакции полимераналогичных превращений был использован стирольно-фурфу-рольный полимер. Условия процесса фосфорилиро-вания данного полимера подбирали из опытов, накопленных применительно к реакциям фосфори-лирования низко- и высокомолекулярных соединений [7, с.9; 8, с.37-40; 9, с.50-57].
В работе были использованы следующие химические методы анализа: элементный анализ, алкалометри-ческое, трилонометрическое, йодометрическое титрование и физико-химические методы [9, с.50-57]. Кроме этого, для определения физико-механических и технологических свойств использованы стандартизованные методы испытаний.
С целью увеличения обменной емкости, т.е. перевода фосфинистых групп в фосфиновую, полимер после промывания водой контактировали в течение 7 часов при температуре 600С концентрированной азотной кислотой. В результате этого, большая часть фосфинистокислых групп окисляется до фосфиново-кислых. При этом, содержание фосфора в полимере не изменяется, величина обменной емкости увеличивается до 7.6-8.0 мг-экв/г [10, с.148-160].
Представлял интерес изучить такие свойства исследуемого фосфорнокислого катионита, как сорбци-онная способность его к ионам меди, никеля и кобальта, имеющих важное значение в современной технике, выявить влияние различных факторов на процесс сорбции этих катионов, а также механизм их сорбции с применением ИК-спектроскопического анализа. С этой целью было изучено взаимодействие катионита в №- и Н-формах с растворами сернокислых солей меди, никеля, кобальта. Результаты исследований приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Сорбция катионов металлов фосфорнокислым катионитом
0.1 N растворы Н-форма ^-форма
рН раствора Сорбировано, мг-экв/г Коэффициент распределения, мл/г рН раствора Сорбировано, мг- экв/г
CuSO4 4.8-5.0 1.2-1.3 66 4.8-5.0 1.75-1.8
CuSO4 11 2.64-2.7 733 11 3.08-3.1
CuSO4 - - - 2.35 1.0-1.1
NiSO4 7.6 1.1-1.2 20 2.25 1.0
NiSO4 10 2.0-2.1 84 3.8 3.6
NiSO4 - - - 7.6 2.0
NiSO4 - - - 10 3.75-3.8
CoSO4 8 2.0-2.05 35 2.36 0.8-0.9
CoSO4 - - - 3.18 2.4
CoSO4 - - - 8 2.65
Данные таблицы 1 свидетельствуют о влиянии Ni2+ > Cu2+ > Co2+
природы катиона на сорбируемость. Найдено, что исследуемые катионы сорбируются катионитом неоди- Результаты десорбции сорбированных ионов ка-наково, и по способности к сорбции могут быть рас- тионитом в Na-форме приведены в таблице 2. положены в следующем порядке:
Таблица 2.
Десорбция ионов металлов из катионита
Десорбирующий катион Сорбировано, Десорбирующий раствор Десорбировано,
мг-экв/г Н2О 2 N раствор H2SO4 мг-экв/г
Медь 3.08 0.06 2.7 2.76
Никель 3.6 0.56 2.83 3.39
Кобальт 1.4 0.2 0.9 1.1
Десорбцию ионов меди и никеля проводили 2 N раствором серной кислоты. При этом катионит, сорбировавший ион меди, при промывке раствором серной кислоты выделяет 80% от общего количества сорбированной меди и 95% никеля.
Анализ полученных данных (таблица 2) свидетельствует, что исследуемый фосфорнокислый кати-онит обладает достаточно высокой сорбционной и десорбционной способностью к ионам испытуемых металлов.
Использование ионитов в высокотемпературных производственных процессах лимитируется недостаточной термостойкостью известных марок ионито-вых полимеров, выпускаемых промышленностью. Большинство ионитов, особенно, поликонденсационного типа, согласно литературным данным, отличаются низкой термостойкостью, вследствие чего их применение ограничено. С этой точки зрения изучение термостойкости полученного катионита имеет
практическое значение, т.к. позволит определить допустимые пределы температур и рекомендовать исследуемый катионит для работы при повышенных температурах [11, с.388-390].
Нами исследована термостойкость полученного фосфорнокислого катионита. Термическую устойчивость катионитов исследовали в воде, в водных растворах кислот и щелочи, а также методом дифференциально-термического анализа. Термическую устойчивость характеризовали по изменению обменной емкости, набухаемости, потере веса ионита. Для сравнения исследовали термостойкость в аналогичных условиях известного катионита КФ-1 (фосфорнокислого катионита на основе стирола и диви-нилбензола). Термическую устойчивость катионитов исследовали в воде при температуре кипения воды в течение определенного времени. Катиониты использовали в водородной форме. В таблице 3 приведены величины обменной емкости катионитов.
Таблица 3.
Термическая устойчивость катионитов в воде (температура кипения воды, время прогрева - 72 часа)
Катионит СОЕ до термообработки по 0.1N раствору, мг-экв/г Потеря в весе, % Удельный объем набухшего в воде ка-тионита, мг/г
NaOH NaCl до термообработки после термообработки
КФФ 6.8 1.0 1.2 3.5 3.0
КФ-1 6.4 0.8 1.2 3.8 3.4
Из данных таблицы 3 видно, что величина обменной емкости фосфорнокислого катионита (КФФ) в результате термообработки в течение 24 часов не изменяет своего значения, дальнейшее нагревание в воде в течение 72 часов незначительно снижает величину обменной емкости для КФФ - 1-1.2%, как и у эталонного образца катионита КФ-1 - 1-1.2%. При нагревании испытуемых катионитов в воде уменьшение величины обменной емкости связано с процессом термического дефосфорилирования, представляющего собой реакцию гидролиза, в результате чего в водную фазу переходят ионы РО43-. Поэтому о термостойкости катионитов можно косвенно судить также по изменению рН водной вытяжки. Водные вытяжки после термообработки катионитов в течение 72 часов имели слабокислую реакцию (рН=4.8-5.6). Удельный объем испытуемых образцов катионитов почти не
меняется, следовательно, существенных изменений в каркасе катионитов не происходит [3, с.5-6].
Выводы
Фосфорилированием стирольно-фурфурольного полимера получен и исследован фосфорнокислый ка-тионит, отличающийся высокой термо-химостойко-стью и механической прочностью. На основании проведенных исследований определены оптимальные условия получения катионита. Структура и свойства полученных катионитов исследована с применением химических методов анализа в сочетании ИК-спектроскопией, потенциометрией, фотоколориметрией и др. Установлено, что полученный фофорно-кислых катионит содержит только фосфорнокислые группы и может быть использован в процессах ионного обмена в слабощелочных и щелочных средах. Исследованы сорбционные свойства полученного
№ 11 (53)
фосфорнокислого катионита в ряду ионов металлов -медь, никель и кобальт в зависимости от рН среды, ионной формы катионита и концентрации исследуемых катионов. Исследована термическая устойчи-
ноябрь, 2018 г.
вость полученного фосфорнокислого катионита. Показано, что полученный катионит может быть использован в процессах сорбции исследуемых катионов из различных вод.
Список литературы:
1. Pulatov Kh.L. Synthesis and research of sorption properties of phosphoric cationite of polycondensation type // Science of Central Asia, 2010. - №1. - P.76-79.
2. Гельферих Ф. Иониты. М.: ИЛ, 1962. - 492 с.
3. Патент Республики Узбекистан № IAP 03886. Способ получения фосфорнокислого катионита / Пулатов Х.Л., Туробжонов С.М., Шарипова У.И., Турсунов Т.Т., Назирова Р.А. Опубликовано: официальный бюллетень АИС РУз «Расмий ахборотнома». - Ташкент, 2009. - №3.31.03.2009.
4. Пулатов Х.Л., Абдуллаев И.И., Ахатова А.Б., Турсунов Т.Т., Назирова Р.А. Применение новых синтезированных ионитов в процессах водоподготовки //«Актуальные вопросы в области технических и социально -экономических наук» Республиканский межвузовский сборник, Ташкент, 2013. - С.3-4.
5. Пулатов Х.Л., Турабжанов С.М., Назирова Р.А., Турсунов Т.Т., Мухамедова Н.К., Орипова Д.Р. Исследование сорбционной способности фосфорнокислого катионита // Universum: Технические науки : электрон. научн.журн. 2018, №3(48), URL: http://7universum.com/ru/tech/archive /item/5663 (дата обращения: 10.10.2018).
6. Пулатов Х.Л., Турабжанов С.М., Турсунов Т.Т., Назирова Р.А. Фосфорнокислые катиониты поликонденсационного типа // Современные материалы, техника и технологии, 2016. - №5. - С.153-159.
7. Пулатов Х.Л., Турсунов Т.Т., Назирова Р.А. // II-Санкт-Петербургская конференция молодых ученых «Современные проблемы науки о полимерах». Санкт-Петербург, 2006. - С.9.
8. Пулатов Х.Л., Турсунов Т.Т., Шарипова У.И., Назирова Р.А. Сорбция ионов металлов фосфорнокислым ка-тионитом // Kimyo va kimyo texnologiyasi. 2008.- №3. - С.37-40.
9. Рябчиков Б.Е., Сибирев А.В., Ларионов С.Ю., Корзина Ю.Е. Повышение эффективности очистки жидких радиоактивных стоков ионным обменом // Водопользование, водоотведение и водоподготовка, 2014. - №1. -С.50-57.
10. Самсонов Г.В., Тростянская Е.Б., Елькин Г.Е. Ионный обмен. Сорбция органических веществ. Л.: Наука, 1969. - С.148-160.
11. Синякова М.А.и др. Особенности сорбции меди(П) и алюминия (III) различными катионитами // Ж. прикл. химии, 2000. - Т.73. - №3. - С.388-390.
