CC BY
36
УДК 544.35+539.21
В.А. Щербаков*, Л.Х. Хасанова, Ю.А. Салатова, М.Ю. Королёва Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
125047, Москва, Миусская пл., д. 9 * e-mail: vshcherbakov7@yandex.ru
ИЗУЧЕНИЕ СОРБЦИОННЫХ СВОЙСТВ ВЫСОКОПОРИСТОГО ПОЛИ (СТИРОЛ-ДИВИНИЛБЕНЗОЛА), ПОЛУЧЕННОГО НА ОСНОВЕ ОБРАТНОЙ ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННОЙ ЭМУЛЬСИИ
В качестве сорбента органических жидкостей был использован высокопористый поли (стирол-дивинилбензол), полученный при полимеризации дисперсионной среды обратной высококонцентрированной эмульсии. Расчетная пористость сорбента составила 95,7 ± 1,0 %. Материал показал высокую эффективность при сорбции н-октана, углеводородного масла, керосина и тетрахлорметана. Максимальная сорбционная емкость составила 51 ± 1 г/г для тетрахлорметана.
Ключевые слова: высокопористый полимер, обратная высококонцентрированная эмульсия, сорбция.
В последние годы наблюдается рост интереса к высокопористым полимерным материалам. В связи с этим разрабатываются новые и усовершенствуются уже имеющиеся методы их получения. Одним из методов получения пористых полимерных материалов является метод, основанный на полимеризации обратных эмульсий. Данный метод позволяет получать материалы, состоящие из различных комбинаций полимеров, с различной пористостью. Обратные эмульсии могут быть получены с различной долей дисперсной фазы, что определяет их широкое использование в различных отраслях [1, 2], в том числе и для получения пористых материалов [3]. Регулирование пористости происходит за счет изменения доли внутренней фазы эмульсий. Полимерный пористый материал может быть получен на основе эмульсии с долей внутренней фазы вплоть до 97 об.% [4]. Отличительным свойством материалов, полученных на основе обратных эмульсий, является высокая взаимосвязанность пор. При полимеризации обратных эмульсий с долей дисперсной фазы свыше 0,74 полученный материал обладает высокой долей открытых пор, что является положительным свойством для его использования в качестве сорбента.
В данной работе высокопористый поли (стирол-дивинилбензол) был получен на основе обратной высококонцентрированной эмульсии (ВКЭ). В обратной ВКЭ капли дисперсной фазы (дистиллированной воды) были распределены в непрерывной дисперсионной среде, состоящей из смеси мономеров стирола и дивинилбензола. Объемное отношение мономеров было равно 9:1. Доля дисперсной фазы в эмульсии составила 0,95. Для стабилизации обратной ВКЭ в качестве поверхностно-активного вещества использовали Span 80. Для инициирования полимеризации дисперсионной среды использовали
водорастворимый инициатор радикальной полимеризации - персульфат аммония, который предварительно растворяли в водной дисперсной
фазе. Процесс полимеризации проводили при 60°С в течение 4 часов, далее образец охлаждали до комнатной температуры. Для удаления водной фазы образец сначала помещали в морозильную камеру с температурой -18°С, затем с помощью лиофильной сушки (FreeZone, Labconco) в течение 30 часов удаляли остатки воды. Процесс лиофилизации проводили при температуре коллектора -51°С и давлении в камере 150 Па. Для визуализации структуры полученного материала использовали сканирующий электронный микроскоп (JSM-6510LV, JOEL). Микрофотография полученного высокопористого полимерного материала приведена на рис. 1.
Рис. 1. Микрофотография высокопористого поли (стирол-дивинилбензола)
В данном материале присутствовало два вида пор. Более крупные поры образовывались при удалении воды из капель дисперсной фазы обратной ВКЭ. Второй вид пор - это отверстия, которые возникали между каплями дисперсной фазы при частичной коалесценции в не полностью полимеризованном материале. Благодаря наличию таких отверстий полученный материал имел высокую долю открытых пор.
Пористость полимерного материала
рассчитывали по уравнению П = (1 - р/рист), где р -
кажущаяся плотность, г/см ; рист - истинная плотность, г/см3.
Истинную плотность измеряли методом твердотельной денситометрии на пикнометре (AccuPyc 1340). Значение истинной плотности синтезированного в данной работе полимерной материала составило 1,050 ± 0,002 г/см3.
Для определения кажущейся плотности образец взвешивали на аналитических весах, затем измеряли его линейные размеры. По полученным данным рассчитывали кажущуюся плотность р, разделив массу образца m на его объем V.
Значение кажущейся плотности составило 0,045 ± 0,010 г/см3. Расчетная пористость материала составила 95,7 ± 1,0%, что соответствует доле дисперсной фазы в исходной обратной ВКЭ.
60
Были исследованы сорбционная емкость и скорость впитывания лиофильных жидкостей полученным высокопористым полимерным материалом. В качестве сорбируемых жидкостей были выбраны: н-октан (р = 0,703 г/см3, ц = 0,542 мПа-с), углеводородное масло (р = 0,850 г/см3, ц = 20 мПа-с), керосин (р = 0,780 г/см3, ц = 1,5 мПа-с) и тетрахлорметан (р = 1,59 г/см3, ц = 0,969 мПа-с). Сорбцию н-октана, углеводородного масла и керосина проводили с поверхности воды, налив слой органической жидкости толщиной ~1 см. Сорбцию тетрахлорметана проводили с поверхности стекла.
На рис. 2 представлены зависимости количества поглощенной органической жидкости от времени.
а 40 -
• Тетрахлорметан
ОКеросин
лн-Октан
ДУглеводородное масло
0 0,5 1 5 10 30 60 120
Время, мин
Рис. 2. Сорбция органических жидкостей высокопористым поли (стирол-дивинилбензолом)
На кривых сорбции органических жидкостей присутствуют два участка. Первый участок с более высокой скоростью впитывания и второй с более низкой, во время которого изменение количества поглощенной жидкости незначительно. Скорость впитывания определяли по тангенсу угла наклона кривой в начальный момент времени. Более высокая скорость впитывания в начальный момент времени объясняется тем, что сначала активно заполняются поры, находящиеся близко к поверхности материала, а затем уже с более низкой скоростью сорбируемая жидкость проникает в поры, находящиеся во внутренней области материала. Следует отметить, что углеводородное масло, как наиболее вязкая жидкость впитывалось в начальный момент времени с наименьшей скоростью по сравнению с другими сорбируемыми жидкостями.
В таблице 1 приведены данные по максимальной сорбционной емкости и скорости впитывания в
начальный момент времени органических жидкостей.
для различных
Таким образом, высокопористый поли (стирол-дивинилбензол), полученный на основе обратной ВКЭ с долей дисперсной фазы 0,95 может быть использован для сорбции органических жидкостей, в том числе для удаления органических жидкостей с поверхности воды или почвы.
Работа выполнена с частичным использованием оборудования ЦКП РХТУ им. Д.И. Менделеева, при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках базовой части госзадания № 2014/171 и Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе «УМНИК» в рамках договора № 9681 от 01 февраля 2016 г.
Таблица 1. Сорбционные свойства высокопористого полимерного материала
Сорбируемая жидкость Углеводородное масло н-Октан Керосин Тетрахлорметан
Скорость впитывания, г/г-мин 20 28 33 77
Сорбционная емкость, г/г 20 18 21 51
Щербаков Вячеслав Александрович, магистрант кафедры наноматериалов и нанотехнологии РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва.
Хасанова Ляйсан Ханифовна, студентка кафедры наноматериалов и нанотехнологии РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва.
Салатова Юлия Александровна, студентка кафедры наноматериалов и нанотехнологии РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва.
Королёва Марина Юрьевна, д.х.н., профессор кафедры наноматериалов и нанотехнологии РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва.
Литература
1. Королева М.Ю., Юртов Е.В. Наноэмульсии: свойства, методы получения и перспективные области применения // Успехи химии. - 2012. - Т. 81. - С. 21-43.
2. Юртов Е.В., Королева М.Ю. Экстракционные жидкие мембраны // Мембраны и мембранные технологии. - 2014. - Т. 4. - С. 163.
3. Silverstein M.S. PolyHIPEs: Recent advances in emulsion-templated porous polymers // Progress in Polymer Science. - 2014. - V. 39. - №. 1. - P. 199-234.
4. Чекрыгина М.Ю., Королёва М.Ю. Получение пористого полистирола на основе высококонцентрированных обратных эмульсий // Успехи в химии и химической технологии. — 2013. -Т. 27. - № 6. - С. 128-131.
Shcherbakov Vaycheslav Alexandrovich*, Khasanova Lyaysan Khanifovna, Salatova Julia Alexandrovna, Koroleva Marina Yurievna
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia * e-mail: vshcherbakov7@yandex.ru
THE STUDY OF SORPTION PROPERTIES OF HIGH POLY (STYRENE-DIVINYLBENZENE) OBTAINED FROM HIGHLY CONCENTRATED W/O EMULSIONS
Abstract
A highly porous poly (styrene-divinylbenzene) was used as a sorbent for organic liquids. The sorbent was obtained by polymerization of a dispersed phase of highly concentrated W/O emulsion. The estimated porosity of the sorbent was equal to 95.7 ± 1.0 %. The material showed high efficiency in the sorption of n-octane, hydrocarbon oil, kerosene and tetrachlorolmethane. Maximum sorption capacity was 51 ± 1 g/g for tetrachlorolmethane.
Key words: highly porous polymer, highly concentrated W/O emulsion, sorption.
