Исследование кислотно-основного равновесия и сорбционных свойств новых амфотерных ионитов Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

ИССЛЕДОВАНИЕ КИСЛОТНО-ОСНОВНОГО РАВНОВЕСИЯ И СОРБЦИОННЫХ СВОЙСТВ НОВЫХ АМФОТЕРНЫХ ИОНИТОВ

Абдуталипова Нелля Мударисовна

канд. техн. наук, Ташкентский химико-технологический институт, 100011, Узбекистан, г. Ташкент, ул. А. Навоий 32

E-mail: nellya85@list. ru

Туробжонов Садриддин Махамаддинович

доктор техн. наук, профессор, Ташкентский химико-технологический институт,

100011, Узбекистан, г. Ташкент, ул. А. Навоий 32

E-mail: [email protected]

STUDY OF ACID-BASE BALANCE AND SORPTION PROPERTIES

OF NEW AMPHOTERIC ION-EXCHANGERS

Nellya Abdutalipova

candidate of Technical Sciences, Tashkent chemichal technological Institute, 100011, Uzbekistan, Tashkent, A. Navoiy Street, 32 E-mail: [email protected]

Sadriddin Turobjonov

doctor of Technical Sciences, professor, Tashkent chemichal technological Institute,

100011, Uzbekistan, Tashkent, A. Navoiy Street, 32 E-mail: [email protected]

АННОТАЦИЯ

Получены новые амфотерные ионообменные полимеры путем поликонденсации стирола, фурфурола и поли-этиленполиамина с последующим сульфированием или фосфорилированием. Также получен амфолит на основе фурфурола и кубовых остатков производства нитрила акриловой кислоты (НАК).

В статье приведены данные по исследованию кислотно-основного равновесия новых амфотерных ионитов, содержащих аминокарбоксильные (АНКБФ), аминосульфатные (АНФС) и аминофосфорные (АНФФ) ионные группы. С использованием уравнения Гендерсона-Гассельбаха найдены кажущиеся константы диссоциации ионогенных групп амфолитов. Значения рК карбоксильных и первичных аминных групп амфолита АНКБФ соответственно равны 4,0 и 8,0. Для АНФФ первая ступень диссоциации находится в среднекислотной области (рК=4,9), а вторая - в слабокислотной области (рК=6,1). Значения рК аминных групп амфолита АНФФ составляют 6,9 и 7,9. Значение рК сульфогрупп амфолита АНФС составляет 3,44; значения рК в ОН-форме равны 8,2 и 9,1, которые соответствуют различным аминным группам.

Найдены оптимальные и предельные условия определения обменной емкости ионитов по кривым потенцио-метрического титрования.

Получены конкретные численные параметры уравнений для расчета равновесий в системах с несколькими практически важными ионообменными материалами.

ABSTRACT

New amphoteric ion-exchange polymers are obtained by polycondensation of styrol, furfural and polyethylenepoly-amine followed by sulfonation or phosphorylation. Also, ampholyte is derived based on furfural and still bottoms of acrylonitrile production.

The article presents data on the study of acid-base balance of new amphoteric ion-exchangers containing aminocar-boxylic, aminosulphated and aminophosphoric ionic groups. Using Henderson-Gasselbah's equation, spurious dissociation constants of ampholytes ionic groups are found. рК values of carboxyl and primary amine groups of aminocarboxylic ampholyte respectively equal 4,0 and 8,0. For aminophosphoric ones the first dissociation stage is in the average acidic region (pK = 4,9), and the second - in the weakly acidic region (pK = 6,1). рК values of amine groups of aminophosphoric ampholyte are 6,9 and 7,9. The рК value of sulphonic-acid groups of aminosulphated ampholyte is 3,44; pK values in ОН-form equal to 8,2 and 9,1, which correspond to different aminogen groups.

Библиографическое описание: Абдуталипова Н.М., Туробжонов С.М. Исследование кислотно-основного равновесия и сорбционных свойств новых амфотерных ионитов // Universum: Технические науки: электрон. научн. журн. 2016. № 9(30). URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/3658

À'

7universum.com

UNIVERSUM:

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Optimal and limiting conditions of determining the exchange capacity of ion-exchangers are found according to the potentiometric titration curves.

Specific numerical parameters of equations are obtained to calculate equilibria in systems with several practically important ion-exchange materials.

Ключевые слова: кислотно-основное равновесие ионитов, кажущиеся константы диссоциации, уравнение Гендерсона-Гассельбаха, фурфурол, кубовые остатки производства НАК.

Keywords: acid-base balance of ion exchangers, the apparent dissociation constant, Henderson-Gasselbah equation, furfural, bottoms of acrylonitrile.

I. Введение

Описание кислотно-основного равновесия и способности полимерных электролитов к диссоциации весьма интересно как с теоретической, так и с практической точек зрения. Процесс диссоциации активирует исходное нейтральное соединение с образованием двух и более заряженных гидратированных или сольватированных ионов. Диссоциативные равновесия определяют важнейшие свойства водной фазы и активность компонентов в различных полиэлектролитах: солях, кислотах, основаниях и комплексах. Для ионитов диссоциативные процессы определяют способность ионогенных групп к различным реакциям ионного обмена и комплексоообразования в твердой фазе [3, с.623].

Информация о зависимости состава равновесных фаз от условий равновесия (рН, концентрации электролита, степени нейтрализации ионита) является ключевой для понимания и управления процессами ионного обмена и, в частности, нейтрализации иони-тов.

В работе описывается общий подход к решению таких задач и иллюстрируется на практически важных примерах.

Проведены обширные исследования по синтезу и изысканию путей рационального применения новых амфолитов, в частности аминокарбоксильных, ами-нофосфорных и аминосульфатных.

II. Методика эксперимента

Исследования по изучению кислотно-основных

свойств амфолитов проводили на рН-метре рН-410. Методика эксперимента заключалась в следующем: одинаковые навески амфолита (при соотношении Т:Ж 1:100) в Н-форме заливались 0.1 N раствором NaCl уменьшающимися порциями и 0.1 N раствором NaOH увеличивающимися порциями, а в ОН-форме заливались 0.1 N раствором NaCl уменьшающимися порциями и 0.1 N раствором HCl увеличивающимися порциями так, что суммарный объём в каждой колбе оставался постоянным. Растворы с навесками оставляли на 7 суток. По полученным данным рН равновесного раствора строили кривые потенциометриче-ского титрования в координатах: «зависимость рН от количества добавленной щёлочи/кислоты в мл» [2, с. 21,22].

По экспериментальным данным рН равновесного раствора и рассчитанным значениям соответствующих им а строят график зависимости

рН = f {^дИз этого графика определяют

рК для а=0,5 и п в уравнении Гендерсона-Гассельбаха для полиэлектролитов (линейных и трехмерных) [4, с. 110; 1, с. 28-30 ]:

— а

рК = рН ± п ^-

1 -а

где рК - кажущиеся константы диссоциации активных групп,

а - степень диссоциации активных групп, п - определяется как тангенс угла наклона прямой.

III. Результаты и их обсуждение

Метод потенциометрического титрования иони-тов позволяет определять не только общее содержание функциональных групп, но и содержание отдельных типов ионогенных групп ионита.

Следует подчеркнуть, что из-за полимерной природы комплексита рК его функциональных групп в процессе титрования изменяется. С увеличением степени нейтрализации увеличивается плотность заряда по цепи полимера, что затрудняет нейтрализацию оставшихся групп. Это обусловливает уменьшение кислотности функциональных групп катионитов и основности функциональных групп анионитов с увеличением степени их нейтрализации [4, с. 110].

На рис. 1 представлены результаты потенциометрического титрования амфолита АНФС (Н-форма) 0,1 Н раствором №ОН. Амфолит АНФС содержит в своем составе связанные сульфогруппы (- 8ОзИ), которые в водном растворе диссоциируют в одну ступень. Как видно из координат Гендерсона-Гассельбаха (рис.1, б), значение рК сульфогрупп амфолита АНФС составляет 3,44, что отличается от ожидаемых значений с расчетом на низкомолекулярные формы. Изменение значения рК, объясняется, по-видимому, стерическим фактором и эффектом соседнего звена [1, с.81].

На рис.2 приведены результаты потенциометри-ческого титрования амфолита АНФС (ОН-форма) 0,1 Н раствором ИС1 для количественного определения аминных групп. Как видно из рис. 2б, значения рК равны 8,2 и 9,1, которые соответствуют различным аминным группам.

а) б)

Рисунок 1. Кривая титрования амфолита АНФС (Н-форма) 0,1 Н раствором NaOН

а)

log[(l-«).«.J

б)

Рисунок 2. Кривая титрования амфолита АНФС (ОН-форма) 0,1 Н раствором HCl

Потенциометрическое титрование показывает, что амфолит АНФФ в Н-форме содержит фосфорнокислые группы (рис. 3). Наличие двух прямых линий

в координатах зависимости рН = / свиде-

тельствует о том, что кислотные функциональные

группы диссоциируют по двум ступеням (рис. 3, б). Первая ступень находится в среднекислотной области (рК=4,9), вторая - слабокислотной области (рК=6,1).

pH

f.. —7— а

7 Y=-2,6395*» 6,0928

R;-0.57SS

•-■...... б*'

..............л.,..

у = -1.М01х-4,9295 --5- '"в........... '*•■:.

-U.J755 4 .......■

3

2

1

п

а)

15 20 25 -1 -0,3 -0,6 -0.4 -0,2 0 0.2 0,4 0,6 0.S 1 V(NaOH): мл log[(l-«)«]

б)

Рисунок 3. Кривая титрования амфолита АНФФ (Н-форма) 0,1 Н раствором NaOН

Значения рК аминных остатков амфолита АНФФ соответствуют, по-видимому, вторичным и третич-в №-форме составляют 6,9 и 7,9 (рис. 4, б), которые ным аминным группам.

А'

7universum.com

UNIVERSUM:

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

а)

log[(l-«)«I

б)

Рисунок 4. Кривая титрования амфолита АНФФ (ОН-форма) 0,1 Н раствором HCl

На рис. 5-6 представлены кривые потенциометрического титрования аминокарбоксильного амфолита АНКБФ в Н- и ОН- (Na) формах. Кривые потенциометрического титрования соответствуют буферным слабокислотным катионитам и низкоосновным анионитам. Значения рК карбоксильных и первичных аминных групп соответственно равны 4,0 (рис. 4, б) и 8,0 (рис. 5, б).

а)

12 16 20 24 -О'6 -0,2 0 0,2 0,4

V(NaOH),Mn 1о2[(1-а)«.]

б)

Рисунок 5. Кривая титрования амфолита АНКБФ (Н-форма) 0,1 Н раствором МиОН

а)

20 25-1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0.4 0,6 0,8 1

V (HCl), МЛ logl(l-«0/o]

б)

Рисунок 6. Кривая титрования амфолита АНКБФ (ОН-форма) 0,1 Н раствором HCl

Таким образом, по данным потенциометриче-ского титрования определены константы диссоциации функциональных групп аминокарбоксильного, аминофосфорного и аминосульфатного амфолитов.

Установлено, что кислотно-основные свойства полимеров согласуются с литературными данными и могут быть рекомендованы к использованию в определенных областях науки и техники.

Список литературы:

1. Гельферих Ф. Иониты. - М.: ИЛ, 1962. - 490с.

2. Димова Л. М. Неорганические ионообменники. - Иркутск: ИГУ, 2012. - 62 с.

3. Лейкин Ю.А. Модель кислотно-основного равновесия ионитов с учетом ассоциации ионогенных групп. Краткие сообщения / Сорбционные и хроматографические процессы. 2010. Т. 10. №. 4. - С. 622-632.

4. Салдадзе К.М., Копылова-Валова В.Д. Комплексообразующие иониты (комплекситы). - М.: Химия, 1980. 336 с.

References:

1. Hellferich F. Ion Exchange. Moscow, IL Publ., 1962, 490 p. (In Russian).

2. Dimova L.M. Inorganic ion exchangers. Irkutsk, IGU Publ., 2012, 62 p. (In Russian).

3. Leykin Iu.A. The model of acid-base balance of ion exchangers taking into account association of ionogenic groups. Short communications Sorbtsionnye i khromatograficheskie protsessy [Sorption and chromatographic processes]. 2010. Vol. 10. №. 4. pp. 622-632. (In Russian).

4. Saldadze K.M., Kopilova-Valova V.D. Chelating resins (complexities). Moscow, Khimiia Publ., 1980, 336 p. (In Russian).