ПРИДАНИЕ ВОЛОКНИСТЫМ ПОЛИКАПРОАМИДНЫМ МАТЕРИАЛАМ ИОНООБМЕННЫХ СВОЙСТВ ХИМИЧЕСКИ ИНИЦИИРОВАННОЙ ПРИВИТОЙ СОПОЛИМЕРИЗАЦИЕЙ Текст научной статьи по специальности «Фундаментальная медицина»

прочностных и манипуляционных характеристик, минимальной материалоёмкости с учетом условий функционирования в организме, биологической инертности, а в ряде случаев биологической активности для целенаправленного воздействия на окружающую микрофлору. Имплантированные в организм полимерные материалы (хирургические нити, сетчатые эндопротезы для пластики опорных мягких тканей и др.) достаточно быстро колонизируются микрофлорой, образующей на поверхности изделия биопленку, защищающую их от воздействия как факторов иммунной защиты организма, так и антимикробных препаратов. С учетом этой ситуации целесообразно воздействие на микроорганизмы изнутри, т. е. непосредственно с поверхности имплантата, содержащего соответствующие лекарственные препараты, что позволяет снизить их концентрацию в организме и локализовать воздействие [1-8].

Поскольку поликапроамид (ПКА) практически не содержит функциональных групп, то для придания ПКА волокнистым материалам ионообменных свойств необходима стадия предварительной модификации ПКА волокон. Модификация включает процесс привитой полимеризации метакриловой кислоты с целью введения в волокна карбоксильных групп. Привитая полимеризация является наиболее эффективным метод модификации волокон с целью придания им ионообменных свойств [9].

Цель работы - выявление закономерностей процесса привитой полимеризации метак-риловой кислоты (МАК) к поликапроамидным (ПКА) волокнам.

Материалы и методы

В качестве исследуемых объектов были использованы ПКА крученые нити с линейной плотностью 15,6 текс. Контроль за процессом привитой сополимеризации производили по статистической обменной емкости (СОЕ) нити, а за конкурирующим процессом гомополиме-ризации - по количеству полиметакриловой кислоты (ПМАК), осаждаемой ацетоном из модифицирующей ванны.

Результаты и обсуждение

Присоединение мономера к полимерной матрице осуществляют по механизму радикальной или ионной полимеризации, а также поликонденсации. Наибольшее применение для синтеза волокон с привитыми полимерами находит радикальная полимеризация, в основу которой положен принцип создания в макромолекуле «активного центра», начинающего реакцию привитой сополимеризации.

Синтез привитых сополимеров состоит в прививке к реакционноспособным группам основного полимера боковых звеньев сополимера, обладающего иными свойствами. В результате таких модификаций волокна приобретают свойства, характерные как для основного полимера, так и для дополнительного полимера, например, улучшение окрашивания, повышение эластичности, упругости, гигроскопичности, износостойкости, огнестойкости, бактерицид-ности и т. д. [10, 11].

Как правило, чем больше эффективность прививки, тем выше коэффициент прививки, когда используемый мономер является постоянным. В этом случае более высокая производительность может быть достигнуто. По этой причине некоторые исследования оплачивались очень дорого.

Повысить эффективность привитой полимеризации возможно за счет поиска подходящих инициаторов [12].

Привитая сополимеризация МАК к ПКА волокнам возможна с использованием окислительно-восстановительной системы Fe2++H2O2, оба компонента которой находятся в модифицирующей ванне, либо в результате предварительного создания пероксидных и гидропероксидных групп на волокне [13-15] (рисунок 1).

В первом случае прививку проводили путем обработки ПКА нити 5-20% растворами МАК в течение 15-120 минут при температуре 40-100 C и модуле ванны (МВ) 100. Учитывая негативное влияние кислой среды, создаваемой МАК, на прочностные показатели ПКА нитей (снижение до 20%), pH ванны регулировали в пределах 2,2-10,0 добавлением едкого натра.

I

с=о

I

(СН2)4 СНз

сн- о [сн2-с]й-.т + -[CH2-Cte

NH СООН

Рисунок 1. Прививка МАК к поликапроамидной нити с использованием окислительно-восстановительной системы Fe2++H2 О2, оба компонента которой находятся в модифицирующей ванне

Figure 1. Grafting of MAA to polycaproamide yarn using a redox system Fe2++H2 О2, both components of which are in a modifying bath.

Концентрация пероксида водорода составляла 0,1%, а содержание в ванне ионов двухвалентного железа (в пересчете на соль Мора) варьировалась от 0,01 до 0,2%. После обработки нить отмывали от гомополимера 5%

I

с=о

(СН2)4 СНз

СН2 + Н202 + Fe2* +n[CH2=C] СООН

раствором едкого натра, а следов железа - 5% раствором щавелевой кислоты и затем дистиллированной водой.

Полученные данные показывают, что с увеличением концентрации МАК модифицирующей ванне и продолжительности процесса, закономерно увеличивается количество привитого полимера.

Однако, при концентрациях МАК выше 15% резко возрастает содержание гомополимера в ванне. Нецелесообразно также увеличивать длительность процесса более 60 минут, т. к. при этом не происходит заметного повышения выхода привитого сополимера, а гомополиме-ризация продолжается.

Увеличение температуры до 40-60 °С приводит к росту СОЕ модифицированных нитей. При дальнейшем повышении температуры до 80-100 °С выход привитого сополимера несколько снижается и одновременно увеличивается количество образующегося гомополимера.

Присутствие ионов двухвалентного железа оказывает существенное влияние на реакцию привитой сополимеризации, но в значительно большей степени на гомополимеризацию МАК, способствуя снижению количества образующегося гомополимера в 2,0-2,5 раза. При концентрации соли Мора в растворе более 0,05% наблюдается определенное снижение количества привитой МАК, что может быть обусловлено увеличением скорости рекомбинации радикалов и макрорадикалов.

По результатам приведенных исследований можно предложить следующий режим прививки МАК к ПКА [16,17]: концентрация мономера 15%, температура 60 °С; продолжительность обработки 60 мин; рН раствора - 4,5; концентрация Бе2+ - 0,05%; концентрация Н202-0,1%; МВ - 100. В данных условиях СОЕ нити достигает значений 2,1-2,3 ммоль/г.

Основным недостатком рассмотренного процесса является образование значительного количества гомополимера в растворе даже в присутствии ионов двухвалентного железа. Существенным образом уменьшить скорость реакции гомополимеризации можно в случае введения одного из компонентов окислительно-восстановительной системы непосредственно в полимер нити.

С этой целью привитую сополимеризацию МАК к ПКА нитям инициировали пероксидны-ми и гидропероксидными группами, которые предварительно вводили в полимер окислением системой Fe3+Н2 О2 (рисунок 2). Преимуществом данного метода, с одной стороны, является

существенное уменьшение вероятности образования гомополимера, а с другой - сохранение физико-механических свойств нитей [13, 16].

СНг + Н202-£^» СН- ООН+пСНг = С"5^* СН - СИ CHj - С

Рисунок 2. Прививка МАК к ПКА нити с использованием окислительно -восстановительной системы Fe3++H2 О2, один компонент которой окисляет полимер нити

Figure 2. Grafting of MAA to PCA filament using the Fe3++H2 О2 redox system, one component of which oxidizes the filament polymer

Для введения пероксидных и гидропе-роксидных групп ПКА нить последовательно обрабатывали раствором хлорного железа в разбавленной соляной кислоте и водным раствором пероксида водорода. Контроль за процессом окисления осуществляли по содержанию активного кислорода в образцах [9, 18].

Как видно, на рисунке 3, кислая среда способствует набуханию ПКА, в результате чего увеличивается число пероксидных и гид-ропероксидных групп, образующихся в более глубоких слоях элементарных нитей.

О 0.2 0.4 0.6 0.1 1

Кош|с||фл)|ия КО. uo.ii. .1 Н( 1 .iiixvnlr.ili.xi. mol t

Рисунок 3. Зависимости степени набухания (1), относительной разрывной нагрузки (2), содержания карбоксильных групп (3) и активного кислорода (4) в окисленной поликапроамидной нити от концентрации соляной кислоты в ванне

Figure 3. Dependences of the degree of swelling (1), relative breaking load (2), the content of carboxyl groups (3) and active oxygen (4) in the oxidized polycaproamide thread on the concentration of hydrochloric acid in the bath

Повышение концентрации кислоты более 0,3 моль/л нецелесообразно, т. к. при этом усиливается гидролитическая деструкция по-ликапроамида, на что указывает увеличение

количества концевых карбоксильных групп в полимере, рассчитанное по СОЕ, и, как следствие, резкое падение прочности ПКА нитей [19, 20].

При изучении условий окисления ПКА нити установлено, что содержание в ней активного кислорода, ответственного за инициирование привитой сополимеризации, непрерывно возрастает с увеличением концентрации хлорного железа (рисунок 4).

Однако, при концентрациях хлорного железа выше 5% наблюдается интенсивное образование гидрата окиси железа. Поэтому последующие обработки осуществляли при концентрации хлорного железа в ванне 5%. За оптимальную температуру и продолжительность обработок по данным полученных зависимостей приняты соответственно 60 °С и 40 мин, поскольку дальнейшее повышение этих параметров не приводит к существенному увеличению количества пероксидных и гидро-пероксидных групп в ПКА.

ПКА нитей пероксида водорода, то повышение его концентрации более 10% и температуры обработки свыше 40 °С фактически не влияет на количество активного кислорода в полимере. Реакция в этих условиях практически заканчивается за 20-30 минут. Содержание активного кислорода при обработке нитей в данном режиме 6,4-6,7 мкг/г (рисунок 5).

Рисунок 4. Зависимость содержания активного кислорода в ПКА нити от концентрации (1), температуры (2) и продолжительности (3) при обработках растворами хлорного железа

Figure 4. Dependence of the content of active oxygen in the PCA filament on the concentration (1), temperature (2) and duration (3) during treatment with ferric chloride solutions

Рисунок 5. Зависимость содержания активного кислорода в ПКА нити от концентрации (1), температуры (2) и продолжительности (3) при обработке раствором пероксида водорода

Figure 5. Dependence of the content of active oxygen in the PCA thread on the concentration (1), temperature (2) and duration (3) when treated with a solution of hydrogen peroxide

К обработанным таким образом нитям после тщательной промывки прививали МАК, осуществляя реакцию в 5-10% водных растворах мономера при pH 4,2-4,5 в присутствии промотора - ионов двухвалентного железа.

Как известно, разложение гидроперок-сидных групп, инициирующих реакцию полимеризации, начинается уже при 40 °C. Однако скорость их разложения при этой температуре относительно невелика даже в присутствии промотора. В связи с этим представляло интерес выяснить влияние температуры и продолжительности реакции на СОЕ модифицированной нити. С этой целью реакцию осуществляли в интервале температур от 50 до 60 °C и МВ 30.

Результаты исследований, приведенные на рисунке 5 показывают, что наиболее интенсивно реакция протекает в течение первых 30-60 мин. Наблюдаемое снижение СОЕ при повышении температуры до 60 °C связано с ускорением распада гидроперекисных групп в ПКА нити и реакцией передачи цепи на мономер.

Заключение

Разработаны принципы, новые подходы и технологии придания волокнистым полика-проамидным материалам ионообменных свойств химически инициированной привитой сопо-лимеризацией.

Выявлены закономерности получения волокнистых ПКА сорбционно активных материалов путем химического инициирования окислительно-восстановительной системой (Fe2++H202), находящейся в модифицирующей ванне, а также в результате предварительного окисления ПКА волокна с целью создания перок-сидных и гидропероксидных групп на волокне.

Литература

1 Li H., Wang Z., Robledo-Lara J.A. et al. Antimicrobial Surgical Sutures: Fabrication and Application of Infection Prevention and Wound Healing // Fibers Polym. 2021. V. 22. P. 2355-2367.

2 Jones R.D., Jampani H.B., Newman J.L., Lee A.S. Triclosan: a review of effectiveness and safety in health care settings // Am J Infect Control. 2000. V. 28. № 2. P. 184-96.

3 Malone D.L., Genuit T., Tracy J.K., Gannon C. et al. Surgical site infections: reanalysis of risk factors // J Surg Res. 2002. V. 103. № 1. P. 89-95.

4 Berrios-Torres S.I., Umscheid C.A., Bratzler D.W., Leas B. et al. Centers for disease control and prevention guideline for the prevention of surgical site infection, 2017 // JAMA surgery. 2017. V. 152. №. 8. P. 784-791. doi: 10.1001/jamasurg.2017.0904

5 Matz D., Teuteberg S., Wiencierz A. et al. Do antibacterial skin sutures reduce surgical site infections after elective open abdominal surgery? Study protocol of a prospective, randomized controlled single center trial // Trials. 2019. V. 20. №. 1. P. 1-8. doi: 10.1186/s13063-019-3492-3

6 James B., Ramakrishnan R., Aprem A.S. Development of environmentally safe biodegradable, antibacterial surgical sutures using nanosilver particles // Journal of Polymers and the Environment. 2021. V. 29. №. 7. P. 2282-2288. doi: 10.1007/s10924-021 -02048-y

7 Попов Д.А., Анучина Н.М. Оценка Антимикробной Активности Шовного Материала, Импрегнированного Триклозаном // Бюллетень НЦССХ им. А.Н. Бакулева РАМН. Сердечно-сосудистые заболевания. 2010. Т. 11. № S3. С. 152.

8 Мохов Е.М., Хомулло Г.В., Сергеев А.Н., Александров И.В. Экспериментальная разработка новых хирургических шовных материалов с комплексной биологической активностью // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2012. Т. 153. № 3. С. 391-396.

9 Ершов И.П., Сергеева Е.А., Зенитова Л.А., Абдуллин И.Ш. Модификация синтетических волокон и нитей. Обзор // Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т. 15. №. 18. С. 136-143.

10 Котоменкова О.Г. Биодеструкция материалов специального назначения в процессе хранения // Проблемы экономики и управления в торговле и промышленности. 2013. №. 2. С. 73-81.

11 Закирова Ж.Э. Особенности промышленности химических волокон // Вестник магистратуры. 2016. №. 12-4 (63). С. 49-50.

12 Li M., Zhu Z., Jin E. Graft copolymerization of granular allyl starch with carboxyl-containing vinyl monomers for enhancing grafting efficiency // Fibers and polymers. 2010. V. 11. №. 5. P. 683-688. doi: 10.1007/s12221-010-0683-7

13 Жуковский В.А. Проблемы и перспективы разработки и производства хирургических шовных материалов // Химические волокна. 2008. № 3. С. 31-38.

14 Жуковский В.А., Хохлова В.А., Коровичева С.Ю. Хирургические шовные материалы с антимикробными свойства // Химические волокна. 2007. № 2. С. 37-43.

15 Пат. № 1231663, RU, А6^ 17/00. Хирургический шовный материал (его варианты) и способ его получения (его варианты) / Вольф Л.А., Заикин Ю.Я., Трапезников Н.Н., Юшков С.Ф., Клименков А.А., Гаврилова Т.Н., Искандеров Ф.И., Смолянская А.З. № 82 3438591; Заявл. 14.05.1982.

16 Мохов Е.М., Хомулло Г.В., Сергеев А.Н., Александров И.В. Экспериментальная разработка новых хирургических шовных материалов с комплексной биологической активностью // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2012. Т. 153. №. 3. С. 391-396.

17 Yu X., Biedrzycki A.H., Khalil A.S., Hess D. et al. Nanostructured mineral coatings stabilize proteins for therapeutic delivery // Advanced materials. 2017. V. 29. №. 33. P. 1701255. doi: 10.1002/adma.201701255

18 Baygar T., Sarac N., Ugur A., Karaca I.R. Antimicrobial characteristics and biocompatibility of the surgical sutures coated with biosynthesized silver nanoparticles // Bioorganic Chemistry. 2019. V. 86. P. 254-258. doi: 10.1016/j.bioorg.2018.12.034

19 Fan L., Cai Z., Zhang K., Han F. et al. Green electrospun pantothenic acid/silk fibroin composite nanofibers: Fabrication, characterization and biological activity // Colloids and surfaces b: biointerfaces. 2014. V. 117. P. 14-20. doi: 10.1016/j.colsurfb.2013.12.030

20 Scaffaro R., Botta L., Sanfilippo M., Gallo G. et al. Combining in the melt physical and biological properties of poly (caprolactone) and chlorhexidine to obtain antimicrobial surgical monofilaments // Applied microbiology and biotechnology. 2013. V. 97. №. 1. P. 99-109. doi: 10.1007/s00253-012-4283-x

References

1 Li H., Wang Z., Robledo-Lara J.A. et al. Antimicrobial Surgical Sutures: Fabrication and Application of Infection Prevention and Wound Healing. Fibers Polym. 2021. vol. 22. pp. 2355-2367.

2 Jones R.D., Jampani H.B., Newman J.L., Lee A.S. Triclosan: a review of effectiveness and safety in health care settings. Am J Infect Control. 2000. vol. 28. no. 2. pp. 184-96.

3 Malone D.L., Genuit T., Tracy J.K., Gannon C. et al. Surgical site infections: reanalysis of risk factors. J Surg Res. 2002. vol. 103. no. 1. pp. 89-95.

4 Berrios-Torres S.I., Umscheid C.A., Bratzler D.W., Leas B. et al. Centers for disease control and prevention guideline for the prevention of surgical site infection, 2017. JAMA surgery. 2017. vol. 152. no. 8. pp. 784-791. doi: 10.1001/jamasurg.2017.0904

5 Matz D., Teuteberg S., Wiencierz A. et al. Do antibacterial skin sutures reduce surgical site infections after elective open abdominal surgery? Study protocol of a prospective, randomized controlled single center trial. Trials. 2019. vol. 20. no. 1. pp. 1-8. doi: 10.1186/s 13063 -019-3492-3

6 James B., Ramakrishnan R., Aprem A.S. Development of environmentally safe biodegradable, antibacterial surgical sutures using nanosilver particles. Journal of Polymers and the Environment. 2021. vol. 29. no. 7. pp. 2282-2288. doi: 10.1007/s10924-021 -02048-y

I Popov D.A., Anuchina N.M. Evaluation of the Antimicrobial Activity of Triclosan-Impregnated Suture Material. A.N. Bakuleva RAMS. Cardiovascular diseases. 2010. vol. 11. no. S3. pp. 152. (in Russian).

8 Mokhov E.M., Khomullo G.V., Sergeev A.N., Alexandrov I.V. Experimental development of new surgical suture materials with complex biological activity. Bulletin of Experimental Biology and Medicine. 2012. vol. 153. no. 3. pp. 391-396. (in Russian).

9 Ershov I.P., Sergeeva E.A., Zenitova L.A., Abdullin I.Sh. Modification of synthetic fibers and threads. Overview. Bulletin of the Kazan Technological University. 2012. vol. 15. no. 18. pp. 136-143. (in Russian).

10 Kotomenkova O.G. Biodegradation of special-purpose materials during storage. Problems of economics and management in trade and industry. 2013. no. 2. pp. 13-81. (in Russian).

II Zakirova Zh.E. Features of the industry of chemical fibers. Bulletin of the Magistracy. 2016. no. 12-4 (63). pp. 49-50. (in Russian).

12 Li M., Zhu Z., Jin E. Graft copolymerization of granular allyl starch with carboxyl-containing vinyl monomers for enhancing grafting efficiency. Fibers and polymers. 2010. vol. 11. no. 5. pp. 683-688. doi: 10.1001/s12221-010-0683-1

13 Zhukovsky V.A. Problems and prospects for the development and production of surgical suture materials. Chemical fibers. 2008. no. 3. pp. 31-38. (in Russian).

14 Zhukovsky V.A., Khokhlova V.A., Korovicheva S.Yu. Surgical suture materials with antimicrobial properties. Chemical fibers. 2001. no. 2. pp. 31-43. (in Russian).

15 Wolf L.A., Zaikin Yu.Ya., Trapeznikov N.N., Yushkov S.F. et al. Surgical suture material (its variants) and method of its production (its variants). Patent RF, no. 1231663, 1982.

16 Mokhov E.M., Khomullo G.V., Sergeev A.N., Aleksandrov I.V. Experimental development of new surgical suture materials with complex biological activity. Bulletin of Experimental Biology and Medicine. 2012. vol. 153. no. 3. pp. 391-396. (in Russian).

11 Yu X., Biedrzycki A.H., Khalil A.S., Hess D. et al. Nanostructured mineral coatings stabilize proteins for therapeutic delivery. Advanced materials. 2011. vol. 29. no. 33. pp. 1101255. doi: 10.1002/adma.201101255

18 Baygar T., Sarac N., Ugur A., Karaca I.R. Antimicrobial characteristics and biocompatibility of the surgical sutures coated with biosynthesized silver nanoparticles. Bioorganic Chemistry. 2019. vol. 86. pp. 254-258. doi: 10.1016/j.bioorg.2018.12.034

19 Fan L., Cai Z., Zhang K., Han F. et al. Green electrospun pantothenic acid/silk fibroin composite nanofibers: Fabrication, characterization and biological activity. Colloids and surfaces b: biointerfaces. 2014. vol. 111. pp. 14-20. doi: 10.1016/j.colsurfb.2013.12.030

20 Scaffaro R., Botta L., Sanfilippo M., Gallo G. et al. Combining in the melt physical and biological properties of poly (caprolactone) and chlorhexidine to obtain antimicrobial surgical monofilaments. Applied microbiology and biotechnology. 2013. vol. 91. no. 1. pp. 99-109. doi: 10.1001/s00253-012-4283-x

21

Сведения об авторах Валерий А. Жуковский д.т.н., профессор, кафедра нано-структурных, волокнистых и композиционных материалов им. А.И. Меоса, Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна, ул. Большая Морская, д. 18, Санкт-Петербург, 191186, Россия, rdd. lintex(S)gmail. com

https://orcid.org/0000-0001-7092-9155 Валентина А. Хохлова к.т.н., доцент, кафедра наноструктур-ных, волокнистых и композиционных материалов им. А.И. Меоса, Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна, ул. Большая Морская, д. 18, Санкт-Петербург, 191186, Россия, tiivikm(S)yandex.m

https://orcid.org/0000-0002-8148-1517 Татьяна С. Филипенко к.т.н., директор Центра сопровождения научных разработок, НИИ Спецматериалов, Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна, ул. Большая Морская, д. 18, Санкт-Петербург, 191186, Россия, tanek-fia!rambler.ru

https://orcid.org/0000-0001-7878-6371 Татьяна Ю. Анущенко ведущий инженер, НИИ Спецматериалов, Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна, ул. Большая Морская, д. 18, Санкт-Петербург, 191186, Россия, atu0106(S)yandex.ru https://orcid.Org/0000-0002-9266-0756

Вклад авторов

Все авторы в равной степени принимали участие в написании рукописи и несут ответственность за плагиат

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Information about authors Valeriy A. Zhukovskiy Cand. Sci. (Engin.), professor, nanostructured, fiber and composite materials. A.I. Meosa department, Saint-Petersburg State University of Industrial Technologies and Design, Bolshaya Morskaya Street, 18, Saint-Petersburg, 191186, Russia, rdd.lintex(S)gmail.com https://orcid.org/0000-0001-7092-9155

Valentina A. Khokhlova Cand. Sci. (Engin.), associate professor, nanostructured, fiber and composite materials. A.I. Meosa department, Saint-Petersburg State University of Industrial Technologies and Design, Bolshaya Morskaya Street, 18, Saint-Petersburg, 191186, Russia, thvikm(S)yandex.ru

https://orcid.org/0000-0002-8148-1517 Tatyana S. Filipenko Cand. Sci. (Engin.), director of the Center for Support of Scientific Developments, Research Institute of Special Materials, Saint-Petersburg State University of Industrial Technologies and Design, Bolshaya Morskaya Street, 18, Saint-Petersburg, 191186, Russia, tanek-f(S)rambler.ru

https://orcid.org/0000-0001-7878-6371 Tatyana U. Anuschenko leading engineer, Research Institute of Special Materials, Saint-Petersburg State University of Industrial Technologies and Design, Bolshaya Morskaya Street, 18, Saint-Petersburg, 191186, Russia, atu0106(S)yandex.ru https://orcid.org/0000-0002-9266-0756

Contribution

All authors are equally involved in the writing of the manuscript and are responsible for plagiarism

Conflict of interest

The authors declare no conflict of interest.

Поступила 19/01/2022 После редакции 08/02/2022 Принята в печать 02/03/2022

Received 19/01/2022 Accepted in revised 08/02/2022 Accepted 02/03/2022

Вестник^ВТУИШ/Proceedings of VSUET ISSN 2226-910X E-ISSN 2310-1202

DOI: http://doi.org/1Q.20914/231Q-12Q2-2Q22-1-238-244_Оригинальная статья/Research article_

УДК 544.723+544.726_Open Access Available online at vestnik-vsuet.ru

Сравнение сорбентов для извлечения катионов никеля (II) _из водных сред_

Лариса П. Бондарева 1 [email protected] © 0000-0001-9143-9374 _Кристина В. Гринь 1 [email protected]_

1 Воронежский государственный университет инженерных технологий, пр-т Революции, 19, г. Воронеж, 394036, Россия Аннотация. Актуальной экологической и технологической задачей является очистка природных и сточных вод от катионов никеля (II) и контроль их содержания, поскольку катионы никеля относятся к третьему классу и являются опасными для здоровья человека. К настоящему времени предложено большое количество методов удаления катионов никеля (II) из воды, основным из которых можно считать сорбционный. В свою очередь в литературе имеются разнообразные сведения о наиболее эффективных сорбентах для очистки от катионов никеля, которые иногда противоречат друг другу. В работе определены равновесные характеристики сорбции катионов никеля (II) на различных полярных сорбентах: катионообменниках пористом карбоксильном Токем 200, хелатном иминодикарбоксильном Amberlite IRC 748, гелевом сульфокатионите КУ-2, опытном фосфорнокислом гелевом КФП; сильноосновном гелевом анионообменнике АВ -17, а также природных адсорбентах кремень и шунгит. Получены и описаны уравнением Ленгмюра изотермы сорбции, установлены наиболее перспективные материалы для удаления катионов никеля (II) из водных сред. Определено, что изученные сорбенты по равновесным сорбционным характеристикам можно расположить в ряд: Токем 200 > КФП > Amberlite IRC 748 > АВ-17 > КУ-2 > Кремень > Шунгит. Наиболее эффективными сорбентами для удаления катионов никеля (II) из водных растворов можно считать опытный образец фосфорнокислого гелевого катионообменника КФП и карбоксильного пористого катионообменника Токем 200. В работе получены выходные кривые сорбции и десорбции катионов никеля (II) из смеси с катионами меди (II), показана возможность полного выделения катионов никеля из водного раствора.

Ключевые слова: катионы никеля, ионный обмен, сорбция, изотермы сорбции, коэффициенты равновесия, выходные кривые сорбции и десорбции

Comparison of sorbents for extraction of nickel (II) cations _from aqueous media_

Larisa P. Bondareva Krustina V. Grin

[email protected] [email protected]

0000-0001-9143-9374

1 Voronezh State University of Engineering Technologies, Revolution Av., 19 Voronezh, 394036, Russia

Abstract. Abstract: An urgent ecological and technological problem is the purification of natural and waste water from nickel cations and control of their content, since nickel cations belong to the third class and are hazardous to human health. To date, a large number of methods for removing nickel (II) cations from water have been created, the main of which can be considered sorption. In turn, the literature contains a variety of information about the most effective sorbents for cleaning from nickel cations, which sometimes contradict each other. The work determined the equilibrium characteristics of the sorption of nickel (II) cations on various polar sorbents on cation exchangers porous carboxyl Tokem 200, chelated iminodicarboxylic Amberlite IRC 748, gel sulfonic cation exchanger KU-2, experimental phosphoric acid gel KFP; strongly basic gel anion exchanger AV-17, as well as natural adsorbents flint and shungite. Sorption isotherms were obtained and described by the Langmuir equation, and the most promising materials for removing nickel cations from aqueous media were established. It has been determined that the studied sorbents, according to their equilibrium sorption characteristics, can be arranged in the following order: Tokem 200> KFP> Amberlite IRC 748> AV-17> KU-2> Flint> Shungite. The most effective sorbents for removing nickel (II) cations from aqueous solutions can be considered a prototype of a phosphate cation exchanger for gel CFP and a carboxyl porous cation exchanger Tokem 200. separating nickel cations from an aqueous solution.

Keywords: nickel cations, ion exchange, sorption, sorption isotherms, equilibrium coefficients, output curves of sorption and desorption

объектах. Предельно допустимая концентрация катионов никеля в воде составляет 0.1 мг/л, порог токсичности для организма человека -20 мг/день, класс опасности третий.

Актуальной экологической и технологической задачей является очистка природных и сточных вод от катионов никеля и контроль их содержания.

В настоящее время существует достаточно методов очистки воды от катионов тяжелых металлов, в том числе реагентная очистка, For citation

Bondareva L.P., Grin K.V. Comparison of sorbents for extraction of nickel (II) cations from aqueous media. Vestnik VGUIT [Proceedings of VSUET]. 2022. vol. 84. no. 1. pp. 238-244. (in Russian). doi:10.20914/2310-1202-2022-1-238-244

Введение

В перечень главных загрязнителей водных объектов окружающей среды в первую очередь входят катионы тяжелых металлов, среди которых выделяют никель, как наиболее опасный для здоровья человека. Никель и его соединения раздражающе действуют на органы дыхания и кожу, являются аллергенами, изменяют иммунобиологическое состояние организма, обладают канцерогенными свойствами, поэтому содержание катионов никеля нормируется в водных Для цитирования Бондарева Л.П., Гринь К.В. Сравнение сорбентов для извлечения катионов никеля (II) из водных сред // Вестник ВГУИТ. 2022. Т. 84. № 1. С. 238-244. (М:10.20914/2310-1202-2022-1-238-244

© 2022, Бондарева Л.П. и др. / Bondareva L.P. et al.

This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License