CC BY
11Ученые записки Таврического национального университета им. В. И. Вернадского Серия «Биология, химия». Том 24 (63). 2011. № 3. С. 163-166.
УДК 544.726
ИОННЫЙ ОБМЕН НА ОРГАНО-НЕОРГАНИЧЕСКИХ НАНОКОМПОЗИТАХ
Пономарева Л.Н.1, Дзязько Ю.С.1, Беляков В.Н.1, Литвиненко Ю.А.2,
Щербатюк Н.Н.3
1 Институт общей и неорганической химии им. В.И. Вернадского НАН Украины 2Институт геохимии, минералогии и рудообразования им. Н.П. Семененко НАН Украины 3Институт ботаники им М.Г. Холодного НАН Украины E-mail: Ponomarouva@gmail com
Исследован обмен Cd2+®E^, Cu2+®E^ и Ca2+®E^ на органо-неорганических ионитах, основу которых составляет сильнокислотная ионообменная смола, включающая как нативные наночастицы, так и агрегаты наночастиц шидрофосфата циркония. Обнаружено, что наибольшую избирательность по отношению к ионам тяжелых металлов демонстрируют иониты, для которых достигается наибольший прирост массы при введении неорганической составляющей.
Ключевые слова: органо-неорганические иониты, нанокомпозит, наночастицы, гидрофосфат циркония.
ВВЕДЕНИЕ
Современные технологии очистки воды от нежелательных примесей, часто включают ионный обмен [1], при этом возникает задача получения селективных ионитов, в частности, органо-минеральных [2]. При этом неорганическая составляющая обеспечивает избирательное поглощение тех или иных ионов.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Основу органо-неорганических ионитов, полученных аналогично [3], составляла сильнокислотная гелевая катионообменная смола Dowex HCR-S (Dow Chemical). Гидрофосфат циркония (ГФЦ) многократно вводили в полимерную матрицу, иониты маркировали согласно номеру цикла синтеза. Образцы изучали при помощи сканирующей и трансмиссионной электронной микроскопии.
В статических условиях исследовали обмен Cd2+®^, Cu2+®M+ и Ca2+®№ из хлоридных растворов при соотношении объемов ионит : раствор 1:100. Равновесный раствор анализировали атомно-абсорбционным методом.
РЕЗУЛЬТАТЫ И обсуждение
Наночастицы ГФЦ находятся в полимерной матрице (КС) как в нативной форме (2-20 нм), так и в виде агрегатов микронного размера (рис. 1). Гомогенное распределение наночастиц в фазе ионитов позволяет отнести полученные материалы к нанокомпозиционным. Наибольший прирост массы при введении ГФЦ
достигается для образца 3, очевидно, в ходе первых циклов синтеза образуются как наночастицы, так и их агрегаты. Последние могут растягивать полимер, результатом чего является увеличение набухаемости, связанное с увеличением расстояния между группами -SO3H, что приводит к достройке гидратных оболочек противоионов [4]. Следствием возрастания набухаемости является уменьшение обменной емкости образца. Дальнейшее введение ГФЦ не приводит к заметному приросту массы: при этом, вероятно, образуются преимущественно наночастицы. Уменьшение набухаемости, следствием чего является возрастание обменной емкости, связано с заменой групп -SO3H на слабокислотные фосфорнокислые и, соответственно, со снижением концентрации осмотически активных противоионов в фазе ионита.
■ X
а) б)
Рис.1. СЭМ (а) и ТЭМ (б) изображения нанокомпозитов.
В случае КС получены изотермы обмена, типичные для сильнокислотных ионитов: кривые демонстрируют резкий подъем в области низких концентраций раствора (рис. 2). Для ГФЦ значительное увеличение обменной емкости (А) наблюдается в области высоких концентраций (С). Изотермы обмена на нанокомпозитах носят промежуточный характер. Наибольшее соотношение коэффициентов распределения (К [4]) и Са2+ получено для образца 3. Можно предположить, что улучшение избирательности связано с образованием агрегатов: вероятно, "сильные центры" ГФЦ представляют собой функциональные группы, локализованные на поверхности соседних наночастиц.
Таблица 1.
Характеристики ионитов
Образец КС 1 3 5 7 ГФЦ
Прирост массы, % — 23 54 57 59 -
Набухаемость Н-формы, об. % 54 66 97 85 69 —
Обменная емкость, моль м- 2400 1900 1700 2550 3100 3300
К cd/, К Ca С=0.2 моль м-3 2.08 1.40 1.63 1.48 1.31 2.16
С=1 моль м- 2.60 1.46 1.65 1.54 1.40 2.60
С=5 моль м- 2.50 1.20 1.68 1.76 1.46 2.09
При переходе от образца 3 к образцу 7 соотношение К^сУК^са уменьшается, вероятно, вследствие ухудшения селективности собственно смолы: наночастицы могут
ИОННЫЙ ОБМЕН НА ОРГАНО-НЕОРГАНИЧЕСКИХ НАНОКОМПОЗИТАХ
экранировать ответственные за это свойство микропоры, которые формируются в полимере при набухании.
ВЫВОД
Избирательность органо-неорганических ионитов, основу которых составляет сильнокислотная ионообменная смола, содержащая нативные наночастицы гидрофосфата циркония и их агрегаты, определяется неорганической составляющей. Наибольшее соотношение К^сУК^са найдено для ионитов, демонстрирующих наибольший прирост массы при введении неорганической составляющей, что связано, по видимому, с образованием агрегатов наночастиц.
а) б)
Рис.2. Изотермы обмена: а - Cd2+ (1, 3) и Ca2+ (2, 4) на КС (1, 2) и ГФЦ (3, 4); б - Cu2+ (1), Cd2+ (2), Ca2+ (3) на образце 3.
Список литературы
1. A Demirbas. Adsorption of Cu (II), Zn (II), Ni (II), Pb (II), and Cd (II) from aqueous solution on Amberlite IR-120 synthetic resin / A. Demirbas, E. Pehlivan, F. Gode, T. Altun, G. Arslan // J. Coll. & Interface Sci. - 2005. - 282. № 1. - P. 20-25.
2. Беляков В.Н. Катионообменная способность наноматериалов, включающих катионообменную смолу и гидрофосфат циркония / В.Н. Беляков, Л.Н. Пономарева, Ю.С. Дзязько, Т.Е. Митченко // Доповщ Национально! академи наук Укра!ни - 2011. - № 3, - С. 134-140
3. Alvarado L. Cr (VI) removal by continuous electrodeionization: Study of its basic technologies / L. Alvarado, A. Ramirez, I. Rodriguez-Torres // Desalination. - 2009. - 249, № 1. - P. 423-428.
4. Helfferich F. Ion Exchange. New Vork: Dover, - 1995. - 836 p.
Пономарьова Л.М. 1онний обмш на органо-неоргашчних нанокомпозитах / Л.М. Пономарьова, Ю.С. Дзязько, В.М. Беляков, Ю.О. Литвиненко, М.М. Щербатюк // Вчеш записки Тавршського нацюнального ушверситету iм. В.1. Вернадського. Сер!я „Бюлопя, хiмiя". - 2011. - Т. 24 (63), № 3. -С. 163-166.
Дослщжено обмш С^+®Н+ Си2+®Н та Са2+®Н на органо-неоргашчних юштах, основа яких -сильнокислотна юнообмшна смола, яю включають як нативт наночастинки, так i агрегати наночастинок гiдрофосфату циркошю. Встановлено, що найб^шу селективнiсть по вiдношенню до С(12+ демонструе iонiт, для якого досягаеться найбiльший прирiст маси пiд час введення неорганiчноi складово!.
Ключовi слова: органо-неоргашчш iонiти, нанокомпозит, наночастинки, пдрофосфат цирконта.
Ponomarova L.N. Ion exchange on organic-inorganic nanocomposites / L.N. Ponomarova, Yu.S. Dzyazko, V.N. Belyakov, Yu.A. Litvinenko, N.N. Shcherbatyuk // Scientific Notes of Taurida V.Vemadsky National University. - Series: Biology, chemistry. - 2011. - Vol. 24 (63), No. 3. - Р. 163-166. The exchange of Cd2+®E+ Cu2+®E^ and Ca2+®E+ on organic-inorganic exchangers based on ion exchange resin, which include native nanoparticles and nanoparticle aggregates of zirconium hydrophosphate was investigated. Found that the greatest selectivity against Cd2+ ion shows for nanocomposite which achieved the largest increase in weight during the administration of inorganic component.
Keywords: organic-inorganic ion exchangers, nanocomposite, nanoparticles of zirconium phosphate.
Поступила в редакцию 14.09.2011 г.
