Новые композиционные природные материалы в качестве сорбентов ионов свинца (II) Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

силовых линий магнитного поля в объеме покрытия.

При этом определенный вклад в улучшение свойств покрытий также вносит активизация процессов поляризации сегментов макромолекул, приводящих к улучшению условий взаимодействия на границе фаз наполнитель -связующее и адгезив - субстрат и интенсифицирующих процесс сшивки термореактивных и кристаллизации термопластичных связующих [3].

б х300

а и б-ЭД-16 + железный порошок; а - контрольная; б - обработанная в магнитом поле Рисунок 1 - Поверхностные структуры композиционных полимерных покрытий, модифицированных во внешнем магнитном поле

ВЫВОД

1 Исследовано влияние магнитного поля на физико-механические свойства композиционных полимерных покрытий в зависимости от вида и природы наполнителя. Это диамагнитные наполнители (тальк, сажа); парамагнитные (алюминиевая пудра, окись меди, графит, капрон) и ферромагнитные (железный порошок). Исследования показали, что при магнитной обработке композиционных полимерных покрытий наиболее высокие значения их физико-механических свойств наблюдаются при введении в них фер-рамагнитных наполнителей или при сочетании их с диа-или парамагнитными наполнителями, например, железный порошок - графит или железный порошок - тальк.

2 Изменение свойств композиционных покрытий при модифицировании в магнитном поле в основном зависит от электромагнитных свойств минеральных наполнителей. Закономерность эффективности влияния внешнего магнитного поля для всех диа-, пара- и ферромагнитных наполнителей четко выделяется. В связи с этим для дальнейших исследований из каждой группы выбрали по одному наполнителю - тальк, графит, железный порошок,

которые различаются магнитными характеристиками. Список литературы

1 Кербер М. Л. Полимерные композиционные материалы: структура,

свойства, технологии. М. : Профессия, 2008. 500 с.

2 Негматов С. С. Неорганические композиционные материалы.

Ташкент: УзРНТК «Фан ва тараккиёпк, 1994. 262 с.

3 Икромов Н. А. Разработка оптимальных технологических режимов

обработки композиционных полимерных покрытий в электромагнитном поле и исследование их свойств: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Ташкент, 2011. С.32.

УДК 544.723

А.И. Денисова, Л.В. Мосталыгина, Ю.В. Кокшарова, Д.И. Викулин

Курганский государственный университет

НОВЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ ПРИРОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ В КАЧЕСТВЕ СОРБЕНТОВ ИОНОВ СВИНЦА (II)

Аннотация. Исследованы новые композиционные материалы на основе цитрусового пектина и бентонитовой глины, а также их активированных аналогов. Проведен сравнительный анализ сорбционной способности данных природных материалов в отношении ионов свинца (II). Показано, что лучшие характеристики имеют активированные порошки природных сорбентов.

Ключевые слова: композиционный природный сорбент, бентонитовая глина, цитрусовый пектин, ионы свинца (II), активация.

A.I. Denisova, L.V. Mostalygina, Y.V. Koksharova, D.V. Vikulin

Kurgan State University

NEW COMPOSITE NATURAL MATERIALS AS SORBING AGENTS OF THE LEAD NUCLEI (II)

Abstract. The article presents the results of the research of the new composite materials based on the citrus pectin and bentonite clay and their activated analogs. Sorption capacity of these natural materials was analyzed and compared with the lead nuclei (II). The study shows that activated powders of the natural sorbing agents have the best characteristics.

Keywords: composite natural sorbing agent, bentonite clay, citrus pectin, lead nuclei (II), activation.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время существует большое количество практически не изученных природных сорбентов, которые по этой причине не нашли широкого применения в промышленности и сельском хозяйстве. Отдельная область -изучение сорбентов, полученных на основе двух и более исходных компонентов. Вместе с тем высокие сорбцион-ные свойства таких материалов, дешевизна, широкое распространение в природе являются хорошими предпосылками для их использования в различных областях деятельности человека.

Известно, что сорбенты можно объединить в следующие группы:

1 Углеродные адсорбенты на основе активированного угля и углеволокнистых материалов (уголь активированный,

карболен, гастросорб, Энсорал, Карбодон, актилен и др.).

2 Ионообменные материалы (холестирамин).

3 Энтеросорбенты на основе лигнина (лигносорб, прлифепан).

4 Производные поливинилпирролидона (энтеро-сорб, энтеродез).

5 Сорбенты на основе природных минералов (глина, кремнеземсодержащее минеральное сырье, цеолиты).

6 Энтеросорбенты растительного происхождения (семена подорожника, камедь гуары, слизь алтея, корень цикория, семена тыквы, пищевые волокна, отруби злаковых, пектин).

Одним из перспективных направлений биотехнологии является создание сорбционных материалов на основе растительного сырья с целью дальнейшего их использования в медицине, медицинской и пищевой промышленности. Наиболее перспективны целлюлозсодер-жащие сорбенты и пектины, а также сорбенты на основе природных минералов [1; 2]. Такие сорбенты выгодно отличаются от искусственно синтезированных:

1) полной безвредностью;

2) нетоксичностью;

3) высокой биосовместимостью.

Доступность исходного природного материала, неограниченные его количества, дешевизна привлекают исследователей к поиску новых технологий выделения. Методы механической и химической активации нативных материалов, использование композиционных сорбентов на основе двух и более исходных компонентов могут приводить к повышению сорбционной емкости таких сорбентов.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В исследовании, проведенном на кафедре физической и прикладной химии, использованы сорбенты на основе пектина, выделенного из местной овощной продукции и цитрусовых, а также бентонитовой глины Зырянского месторождения Курганской области. Нами проводилась механическая и химическая активация гидрокарбонатом натрия исходного материала, а также готовились смеси на основе пектина и бентонитовой глины.

К бентонитовым глинам в настоящее время относят глины, состоящие на 60-70% из минералов группы смек-титов (монтмориллонит, нонтронит, бейделит и др.). Общая формула бентонитовых глин - AljO3.4SiO2.nH2O. Чаще породообразующим материалом бентонитовых глин является монтмориллонит. Алюмосиликатная октаэдрическая сетка в структуре монтмориллонита находится между двумя кремнекислородными тетраэдрами. Сочленение двух таких тетраэдрических сеток и одной октаэдрической образует общие слои. Эти слоистые пакеты и образуют структуру монтмориллонита. Слоистые пакеты очень слабо связаны между собой. Между пакетами имеется свободное пространство, куда могут проникать обменные катионы и молекулы воды. Удельная поверхность монтмориллонита велика (600-800 м2/г). Имеются изоморфно замещенные ионы. Все это, а также способность ионов и молекул проникать в межпакетное пространство, обусловливает высокую емкость катионного обмена [3; 4]. Обменная реакция на поверхности глины связана с замещением атомов водорода гидроксильных групп, расположенных в вершинах тетраэдров. На поверхности глины существует некомпенсированный отрицательный заряд, поэтому возможно электростатическое притяжение катионов к поверхности глины. Кроме того, обменные реакции возможны за счет ионов кальция и магния обменного комплекса, которые при активации, как и ионы водорода, могут замещаться на ионы натрия. Схематическое перспективное изображение структуры монтмориллонита по Эдельману

и Фавейе представлено на рисунке 1 [5].

Бентонитовая глина Зырянского месторождения Курганской области относится к разряду щелочноземельных - в обменном комплексе существенно преобладают ионы кальция и магния [4].

структуры монтмориллонита по Эдельману и Фавейе

Бентонитовая глина, являясь природным сырьем с высокой сорбционной способностью и богатым микроэлементным составом, может быть с высокой эффективностью использована для решения экологических проблем и улучшения здоровья населения.

Пектины - это структурные компоненты клеточной стенки высших растений. Пектины можно назвать цементом, который закрепляет волокна целлюлозы. Полимерные цепи пектинов состоят из остатков D-галактуроновой кислоты, они соединены друг с другом а (1 ^ 4) - связью (рисунок 2) [1]. Между блоками галактуроновой кислоты располагаются остатки L-рамнозы, соединенные с галактуроновой кислотой а (1 ^ 2) - связью. От линейной цепи берут начало боковые цепи, состоящие из нейтральных сахаров (арабинозы и галактозы чаще всего). Пектины присутствуют практически во всех растениях, но особенно их много в кожуре цитрусовых плодов.

Поглощение ионов тяжелых металлов пектином основано на способности функциональных групп на поверхности пектина вступать в реакции комплексообразова-ния, а также замещать ион водорода на ион соответствующего металла. Замена иона водорода на ион натрия в процессе активации может способствовать повышению ионообменных свойств пектина. Пектины способны стабилизировать обмен веществ, снижать содержание холестерина в печени и плазме крови, улучшать кровообращение, нормализовать работу кишечника, увеличивать фекальную экскрецию азота, выводить из организма тяжелые металлы и другие токсические вещества [6]. Сви-нецсвязывающая активность пектинов была изучена Макаровой с сотрудниками [7]. Однако авторы рассматри-

вали только одну концентрацию соли свинца, 0,1М. Композиционные смеси на основе пектина и глины изучены нами впервые. Также не проводился сравнительный анализ активированных и нативных материалов и смесей на их основе.

Создание композиционных материалов на основе различных по природе сорбентов, сочетание сорбентов органической и минеральной природы (бентонитовая глина и пектин) позволит расширить возможности применения такого препарата.

На первом этапе нами выделялся пектин из различных видов растительного сырья, преимущественно местной продукции: яблок, моркови, облепихи, калины, свеклы, редиса. Также получили пектин из корок цитрусовых. Для дальнейших исследований выбрали пектин цитрусовых, так как выход конечного продукта из исходного сырья был в этом случае максимальным.

Адсорбционную емкость для солей тяжелых металлов определяли на примере ионов РЬ2+ из растворов нитрата свинца (II) с в интервале концентраций 510-3 - 2,510-2М, которые получали последовательным разбавлением исходного стандартного раствора нитрата свинца с концентрацией 0,1 моль/л. Готовились сорбенты на основе бентонитовой глины (БГ), пектина из цитрусовых (П), смесей на основе БГ и П в соотношении 1:1. Образцы сорбентов представляли собой порошки кремового цвета (пектин) и от серого до черного (бентонитовая глина). Изучались одновременно активированные аналоги пектина (Па) и бентонитовой глины (БГа), а также активированные разными способами смеси сорбентов (БГа+Па) и (БГ+П)а.

На аналитических весах взвешивали образцы пектина и глины массой 0,5000 г и помещали их в конические колбы объемом 100 мл. В эти же колбы добавляли по 50 мл модельного раствора соли свинца с определенной концентрацией. Колбы закрывали и оставляли на 24 часа при комнатной температуре (20+2°С) при периодическом перемешивании, после чего сорбент отделяли от раствора центрифугированием. Аликвотную часть раствора помещали в колбу для титрования и определяли остаточное содержание ионов свинца титриметрически по следующей методике.

Прямое определение свинца с ксиленоловым оранжевым

Реактивы:

ЭДТА, 0,01 М раствор.

Ацетатный буферный раствор, рН = 5.

Уротропин, 20%-й раствор.

Ксиленоловый оранжевый, 0,1%-й раствор.

Ход определения.

Анализируемый раствор, содержащий не более 50 мг РЬ в 100 мл, если нужно, предварительно нейтрализуют раствором едкого натра до рН = 2-3, затем добавляют 3 мл ацетатного буферного раствора или лучше 10 мл уротро-пинового буферного раствора; при этом рН раствора дол-

жен иметь значение около 5. Прибавляют несколько капель раствора индикатора - ксиленолового оранжевого и титруют раствором ЭДТА до перехода окраски от красно-фиолетовой к чисто желтой.

Концентрацию соли свинца (моль/л) в анализируемом растворе рассчитывали по формуле: с = (V *С л/

РЬ^03)2 V ЭДТА ЭДТА а '

где /ЭДТА - объем раствора ЭДТА, пошедшего на титрование, мл;

СЭДТА - молярная концентрация ЭДТА, моль/л; /а - объем аликвотной части раствора соли свинца, взятый для титрования, мл.

Сорбцию а (ммоль/г) определяли по формуле: а = (С - С)/к1000/тв ,

* о р к нав. '

где Со - начальная концентрация соли свинца в модельном растворе, моль/л;

Ср - равновесная концентрация соли свинца в растворе после сорбции на природном материале, моль/л; - объем модельного раствора, мл (/к = 50мл); т - масса навески сорбента, г (т = 0,5000 г).

нав. ~ ' \ нав ' '

В таблице 1 представлены данные по активности на-тивных материалов - П, БГ и их смесей.

Установлена максимальная сорбционная активность бентонитовой глины Зырянского месторождения в отношении ионов свинца. Сорбция на глине в 1,58 раз превосходит эту величину для пектина. Сорбция на смеси (БГ:П = 1:1) ниже, чем на глине, но выше, чем на пектине.

Пектин и бентонитовая глина подвергались механо-химической активации с использованием сухого препарата питьевой соды в количестве 1% от массы образца. Активацию проводили двумя способами. По первому способу бентонитовую глину и пектин активировали индивидуально (БГа и Па соответственно), а затем их смешивали. По второму способу пектин и бентонитовую глину в соотношении 1:1 по массе смешивали и растирали в ступке, затем добавляли рассчитанное количество гидрокарбоната натрия и вновь растирали в ступке (БГ+П)а. Оказалось, что активированные сорбенты имеют более высокие показатели сорбции (степени поглощения) иона свинца по сравнению с неактивированными (таблица 2).

Сорбция ионов свинца(11) на активированной бентонитовой глине в 1,22 раза выше, чем на нативной. Активация пектина позволила улучшить его сорбционную активность в 1,29 раз. Интересны результаты на активированных разными способами смесях. Установлено, что смешивание предварительно активированных порошков глины и пектина позволило в большей степени увеличить сорбционные свойства, чем активация всей смеси. Меха-ноактивация приводит не только к увеличению поверхности сорбента, но и к деструкции материала, а значит, возможно увеличение числа функциональных групп на поверхности. Кроме того, при активации гидрокарбонатом натрия возможно замещение ионов водорода различных

Начальная Адсорбционная Процент

Маркер сорбтив Сорбционный концентрация активность, связывания,

материал ионов свинца, Со a (ммоль/г) w%

(ммоль/л) а±б Sr w ±5 Sr

БГ 25 0,59±0,07 0,045 25±2 0,05

БГ+П 25 0,44±0,08 0,05 19±1,5 0,05

Ион Pb(II) П 10 0,31±0,06 0,039 28±2 0,038

БГ+П 10 0,37±0,02 0,014 33±0,7 0,014

БГ 10 0,49±0,02 0,013 44±1 0,013

БГ+П 5 0,061±0,2 0,028 20±4 0,28

БГ 5 0,191±0,03 0,022 63±2 0,022

по природе функциональных групп на ионы натрия. Ионы натрия легче вступают в реакции ионного обмена с катионами тяжелых металлов.

Таблица 2 - Адсорбционная активность активированных и нативных порошков сорбентов и их смесей, ммоль/г (время контакта - 24 часа; Со = 110-2моль/л; Р=0,95, п=3)

Перспективным направлением дальнейших исследований является изучение возможности активации исследуемых сорбентов в условиях повышенной исходной влажности препарата, а также сравнительный анализ сорбционной способности препаратов на основе бентонитовой глины и пектина, выделенного из местной продукции (свеклы, моркови, яблок, облепихи, груш, калины).

Список литературы

1 Минзанова С. Т. Пектины из нетрадиционных источников: технология,

структура, свойства, биологическая совместимость/

С. Т. Минзанова, В. Ф. Миронов, А. И. Коновалов,

А. Б. Выштакалюк, О. В. Цепаева, А. З. Миндубваев,

Л. Г. Миронова, В. В. Зобов. Казань : Изд-во «Печать-Сервис-XXI

век», 2011. 224 с.

2 Мосталыгина Л. В., Елизаров С. Н., Костин А. В. Бентонитовые

глины Зауралья : экология и здоровье человека : монография. Курган: Изд-во Курганского государственного университета, 2010. 148 с.

3 Marshall C.E. Layer lattices and base-exchange clays// Z. Krist. 1935.

V.91. P433-449.

4 Михащенко Ю. А. Бентонитовые глины // Известия высших учебных

заведений. Горный журнал. 2003. №4. С.47-52.

5 Грим Р. Е., Брэдли В. Ф., Браун Г. Слюдистые минералы глин //

Рентгеновские методы определения минералов глин. М.: ИЛ, 1995. С.160-190.

6 Хотименко М. Ю. Сорбционные свойства и фармакологическая

активность некрахмальных полисахаридов: автореф. дис. ... д-ра мед. наук. Владивосток, 2011.

7 Макарова К. Е., Хожаенко Е. В., Хотименко Р. Ю., Ковалев В. В.

Сравнительная свинецсвязывающая активность пектинов с различной молекулярной массой IN VITRO // Тихоокеанский медицинский журнал. 2013. №2. С.85-88.

УДК 681.501 А.В. Зенькевич

Курганский государственный университет

МОДЕРНИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ МУФЕЛЬНОЙ ПЕЧИ «ПМ-9»

Аннотация. В данной статье рассматривается возможность модернизации системы управления муфельной печью. Доказана возможность на основе новой системы управления оптимизировать работу печи.

Ключевые слова: шкаф управления, система автоматического управления, терморегулятор.

A.V. Zenkevich Kurgan State University

UPGRADING OF THE "PM-9" MUFFLE FURNACE OPERATING SYSTEM

Annotation. This article discusses the possibility of upgrading the control system microwave muffle Proved possible on the basis of a new control system to optimize the performance of a muffle furnace.

Keywords: Control Cabinet, automatic control system, the thermostat

Целью данной работы была модернизация системы управления муфельной печи (рисунок 1). Печь используется в исследовательских целях для выполнения научных исследований и демонстрации процессов термообработки в учебных целях. Но т.к. она была выпущена в 1989 году, система управления устарела и вышла из строя. Поэтому было принято решение создать современную систему автоматического управления с поддержанием температуры с точностью до 1°С.

Существует несколько способов поддержания необходимой температуры в печи. К ним относятся ручное управление (вкл, выкл), релейное управление и PID-регулирова-ние. Температуру можно измерять датчиками температуры, такими как термопары, термисторы, терморезистивные датчики с линейной зависимостью выходного сигнала, а также полупроводниковые датчики с цифровым выходом. В данном проекте была поставлена термопара. К ее преимуществам относится высокая точность измерения значений температуры (вплоть до ±0,01 °С), большой температурный диапазон измерения: от "250 °C до +2500 °C, простота, дешевизна, надёжность. В качестве температурного контроллера выбираем терморегулятор фирмы DELTA.

Особенности стандартного терморегулятора DTD 4848:

Маркер сорбтив Сорбционный материал Адсорбционная активность, a (ммоль/г) Процент связывания, w%

Ион Pb(II) а±5 Sr ±5 Sr

П 0.31±0.06 0.039 28±2 0.038

БГ+П 0.37±0.02 0.014 33±0.7 0.014

БГ 0.49±0.02 0.013 44±1 0.013

Па 0.4±0.02 0.011 35±0.6 0.011

(БГ+П)а 0.45±0.06 0.039 40±3 0.039

БГа+Па 0.52±0.02 0.013 46±1 0.013

БГа 0.6±0.02 0.011 53±1 0.011