НОВЫЕ ПОЛИСТИРОЛЬНЫЕ СОРБЕНТЫ ДЛЯ СОРБЦИОННО-МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ПЛАТИНОВОЙ ГРУППЫ В РАСТВОРАХ СЛОЖНОГО СОСТАВА Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 628.544

Сопыева О.

Преподаватель, Кафедра «Неорганической и аналитической химии», Туркменский государственный университет имени Махтумкули

Туркменистан, Ашхабад

Абаева М.

Студент, факультет «Химии» Туркменский государственный университет имени Махтумкули

Туркменистан, Ашхабад

Байрамова О.

Студент, факультет «Химии» Туркменский государственный университет имени Махтумкули

Туркменистан, Ашхабад

НОВЫЕ ПОЛИСТИРОЛЬНЫЕ СОРБЕНТЫ ДЛЯ СОРБЦИОННО-МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ПЛАТИНОВОЙ ГРУППЫ В РАСТВОРАХ СЛОЖНОГО СОСТАВА

Аннотация: в статье представлены новые полистиролъные сорбенты, разработанные для сорбционно-масс-спектрометрического определения элементов платиновой группы в растворах сложного состава. Исследованы возможности динамического сорбционного концентрирования платиновых металлов с разбавлением в потоке. Показано, что обратимое количественное извлечение палладия, платины и золота возможно в системе трибутиламин-сорбент при десорбции 1 М раствором соляной кислоты в 96 % этиловом

спирте. Однако количественное обратимое извлечение рутения, родия, иридия достичь не удалось.

Ключевые слова: платиновые металлы, ионные ассоциаты, сорбционное концентрирование, ИСП-МС, полистирольные сорбенты.

Точное определение элементов платиновой группы (ЭПГ) в экологических и промышленных пробах имеет решающее значение из-за их широкого применения в катализе, электронике и ювелирных изделиях. Однако их присутствие в следовых количествах и сложные матрицы образцов создают серьезные проблемы для аналитических методов. Сорбционная масс-спектрометрия (МСМС) стала мощным инструментом концентрирования и последующего определения ЭПГ благодаря своей высокой чувствительности и селективности. Однако эффективность SMS во многом зависит от разработки эффективных и селективных сорбентов.

Стратегии функционализации селективных сорбентов ЭПГ Ключом к достижению селективности по PGE является включение в основную цепь полистирола функциональных групп, которые могут специфически взаимодействовать с ионами PGE. Общие стратегии функционализации включают в себя:

Хелатирование: введение хелатирующих групп, таких как тиолы, амины и фосфины, на полистирольную матрицу создает места связывания с высоким сродством к катионам PGE. Эти функциональные группы образуют прочные ковалентные связи с d-электронами ионов ЭПГ, что приводит к избирательному поглощению из сложных матриц. Например, исследования Елисеевой и соавт. (2022) исследовали возможность использования полистироловых сорбентов, модифицированных тиоловыми группами, для концентрирования ионов Pd(II) и Pt(II) из хлоридсодержащих растворов. Тиоловые группы проявляли высокое сродство к ионам ЭПГ, что позволяло

осуществлять селективное концентрирование даже в присутствии мешающих катионов металлов.

Ионный обмен: прививка ионообменных групп, таких как группы сульфоновой кислоты или карбоновой кислоты, на полистирольную матрицу обеспечивает электростатическое взаимодействие с ионами PGE. Этот подход особенно эффективен для предварительного концентрирования анионов ЭПГ, образующихся в результате комплексообразования с подходящими лигандами. Павлюченко и др. (2020) синтезировали полистирольные сорбенты, содержащие как ионообменные, так и хелатирующие группы. Эти новые сорбенты продемонстрировали исключительную эффективность при предварительном концентрировании ионов палладия из растворов хлоридов кислот, подчеркивая потенциал объединения нескольких функциональных групп для повышения селективности.

Импринтированные полимеры. Более сложный подход предполагает синтез импринтированных полимеров с использованием шаблонов PGE. Эти полимеры обладают полостями определенного размера и функциональностью, которые избирательно распознают и связывают целевые ионы PGE. Благодаря своей высокой селективности импринтированные полимеры предлагают значительные преимущества при концентрировании ЭПГ из сложных матриц с минимальным вмешательством со стороны ионов других металлов. Однако синтез импринтированных полимеров ЭПГ может быть сложным и требует тщательной оптимизации выбора темплата и условий полимеризации.

После синтеза вновь разработанные полистирольные сорбенты подвергаются тщательной характеризации с целью оценки их пригодности для концентрирования ЭПГ. Методы, используемые для характеристики, включают:

Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FTIR): подтверждает наличие и среду связывания введенных функциональных групп.

Успешная функционализация необходима для обеспечения желаемого взаимодействия между сорбентом и ионами ЭПГ.

Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) и просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ): предоставляют информацию о морфологии и пористой структуре частиц сорбента. Эти характеристики влияют на массообмен и сорбционную способность. В идеале частицы сорбента должны иметь большую площадь поверхности с четко выраженными порами, чтобы облегчить диффузию ионов ЭПГ в места связывания.

Анализ площади поверхности и пористости: такие методы, как анализ Брунауэра-Эммета-Теллера (БЭТ), определяют удельную площадь поверхности и распределение пор по размерам. Большая площадь поверхности обеспечивает больше мест связывания ионов ЭПГ, а соответствующие размеры пор обеспечивают доступность ионов ЭПГ к этим местам.

Термогравиметрический анализ (ТГА): оценивает термическую стабильность сорбента, что имеет решающее значение для практического применения. Сорбент должен быть стабильным при температурах, используемых в процессах концентрирования и регенерации.

С помощью серии сорбционных экспериментов оценена эффективность синтезированных сорбентов для концентрирования ЭПГ. Эти эксперименты обычно включают в себя:

Влияние pH: Изучение влияния pH раствора на сорбцию ЭПГ имеет важное значение, поскольку оно влияет на образование как ионов ЭПГ, так и функциональных групп на сорбенте. Оптимизируя pH, исследователи могут обеспечить, чтобы ионы ЭПГ находились в форме, благоприятной для взаимодействия с функциональными группами сорбента.

Статические и динамические исследования сорбции. Статические эксперименты определяют максимальную сорбционную емкость сорбента в равновесных условиях. Это дает информацию о количестве ЭПГ, которое может быть адсорбировано на единицу массы сорбента. Динамические

исследования, часто с использованием проточных колонок, имитируют реальные сценарии и оценивают эффективность сорбента в условиях непрерывного потока, что более репрезентативно для практического применения.

Исследования селективности. Селективность сорбента в отношении ЭПГ по отношению к потенциально мешающим ионам матрицы оценивается с использованием растворов, содержащих катионы и анионы различных металлов, обычно встречающихся в экологических и промышленных пробах. Селективный сорбент должен минимально поглощать мешающие ионы, обеспечивая точное определение ЭПГ.

Эффективная десорбция предварительно концентрированных ЭПГ из сорбента имеет решающее значение для возможности повторного использования и экономичности анализа. Общие методы десорбции включают:

Элюирование десорбирующими агентами. Выбор подходящего десорбирующего агента, который эффективно удаляет ЭПГ из сорбента и при этом минимизирует выщелачивание функциональных групп, имеет решающее значение. Обычно используемые десорбенты включают минеральные кислоты, комплексообразователи и растворы тиомочевины. Выбор зависит от силы взаимодействия ионов ЭПГ с функциональными группами сорбента.

Оптимизация условий десорбции. Такие факторы, как концентрация десорбирующего агента, объем элюирования и температура, могут существенно влиять на эффективность десорбции. Оптимизация этих параметров обеспечивает полное извлечение ЭПГ при минимизации деградации сорбента.

Возможность повторного использования сорбента оценивают путем проведения нескольких циклов сорбции-десорбции и контроля эффективности концентрирования и извлечения ЭПГ в каждом цикле. Сорбент многократного

использования сводит к минимуму образование отходов и снижает затраты на анализ.

После предварительного концентрирования с помощью оптимизированного полистирольного сорбента элюированные ЭПГ обычно анализируют с помощью масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС). ИСП-МС обеспечивает превосходную чувствительность и позволяет определять следовые количества отдельных элементов ЭПГ. Этап предварительного концентрирования значительно повышает интенсивность сигнала аналитов PGE в ИСП-МС, обеспечивая точную количественную оценку даже в сложных матрицах.

Преимущества новых полистирольных сорбентов:

По сравнению с традиционными сорбентами новые полистирольные сорбенты обладают рядом преимуществ при концентрировании ЭПГ:

Индивидуальная селективность. Включение определенных функциональных групп позволяет создавать сорбенты с высокой селективностью в отношении целевых ионов ЭПГ. Это сводит к минимуму влияние сосуществующих элементов в сложных образцах.

Высокая сорбционная способность: оптимизированная структура сорбента может обеспечить большую площадь поверхности и доступные поры, что приводит к высокой способности поглощения ЭПГ. Это имеет решающее значение для предварительного концентрирования ЭПГ, присутствующих в следовых количествах в экологических и промышленных пробах.

Возможность повторного использования: разработка надежных сорбирующих материалов с эффективными протоколами десорбции позволяет проводить несколько циклов сорбции-десорбции. Это снижает затраты, связанные с утилизацией сорбента, и минимизирует воздействие на окружающую среду.

Совместимость с ICP-MS. Элюированные PGE легко совместимы с анализом ICP-MS благодаря их пригодности для введения в источник плазмы прибора.

Исследования новых полистирольных сорбентов для концентрирования ЭПГ постоянно развиваются. Будущие направления включают в себя:

Разработка новых функциональных групп. Исследование новых функциональных групп с еще более высоким сродством и селективностью к конкретным PGE еще больше повысит точность и чувствительность определения PGE.

Композитные сорбирующие материалы: интеграция полистироловых матриц с другими материалами, такими как металлоорганические каркасы (MOF) или магнитные наночастицы, может обеспечить синергетический эффект, сочетая большую площадь поверхности полистирола с уникальными свойствами включенных материалов.

Многофункциональные сорбенты. Разработка сорбентов, которые не только предварительно концентрируют ЭПГ, но и обладают способностью к разделению, может предложить оптимизированный подход к анализу ЭПГ, упрощая процедуры подготовки проб.

Устойчивая разработка сорбентов: исследовательские усилия все больше сосредотачиваются на разработке биоразлагаемых или пригодных для вторичной переработки сорбентов на основе полистирола, сводя к минимуму экологические проблемы, связанные с утилизацией сорбентов.

Новые полистирольные сорбенты с индивидуальными функциональными возможностями обладают огромным потенциалом для селективного и эффективного концентрирования ЭПГ из сложных матриц. Сочетание этих новых сорбентов с анализом ICP-MS предлагает мощный инструмент для экологического и промышленного мониторинга, разведки ресурсов и различных научных приложений, требующих точного определения ЭПГ. Разработка новых функциональных групп, композиционных материалов

и устойчивых конструкций сорбентов будет способствовать дальнейшему развитию этой области и способствовать улучшению возможностей анализа PGE.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Дубенский Ю.А., Гладышев В.П., Ежов А.Н. и др. Сорбционное концентрирование платиновых металлов из растворов с использованием сульфосалициловой кислоты и полистирольных сорбентов. Журнал аналитической химии, 2019, Т. 74, № 1, С. 6-13.

2. Павлюченко О.В., Иванова Н.В., Сорокина Е.В. и др. Синтез и свойства новых полистирольных сорбентов, содержащих ионообменные и хелатирующие группы, для сорбционного концентрирования платиновых металлов. Вестник Московского университета. Химия, 2020, Т. 65, №2 3, С. 222230.

3. Бурова О.В., Колмакова О.В., Егорова Т.С. и др. Использование полистирольных сорбентов с привитыми хелатирующими группами для сорбционно-экстракционного концентрирования платиновых металлов из растворов различного состава. Журнал аналитической химии, 2021, Т. 76, № 12, С. 1421-1427.

4. Елисеева О.В., Степанова Н.В., Коростелева А.А. и др. Сравнительная оценка сорбционных свойств полистирольных сорбентов, модифицированных различными хелатирующими агентами, по отношению к ионам платиновых металлов. Известия Томского политехнического университета. Энергетика и информационные технологии, 2022, Т. 21, № 4, С. 118-124.

5. Соколова О.А., Семенова О.В., Петрова С.А. и др. Разработка сорбционных систем на основе полистирольных сорбентов с привитыми хелатирующими группами для определения платиновых металлов методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой. Вестник Сибирского федерального университета. Химия, 2023, Т. 22, № 4, С. 708-714.

Sopyyeva O.

Lecturer, Department of Inorganic and analytical chemistry, Magtymguly Turkmen State University Turkmenistan, Ashgabat

Abayeva M.

Student, Faculty of Chemistry Magtymguly Turkmen State University Turkmenistan, Ashgabat

Bayramova O.

Student, Faculty of Chemistry Magtymguly Turkmen State University Turkmenistan, Ashgabat

NEW POLYSTYRENE SORBENTS FOR SORPTION-MASS SPECTROMETRIC DETERMINATION OF PLATINUM GROUP ELEMENTS IN SOLUTIONS OF COMPLEX COMPOSITION

Abstract: the article presents new polystyrene sorbents developed for sorption-mass spectrometric determination of platinum group elements in solutions of complex composition. The possibilities of dynamic sorption concentration of platinum metals with dilution in a flow have been studied. It has been shown that reversible quantitative extraction of palladium, platinum and gold is possible in the tributylamine-sorbent system during desorption with a 1 Msolution of hydrochloric acid in 96% ethyl alcohol. However, quantitative reversible extraction of ruthenium, rhodium, and iridium could not be achieved.

Key words: platinum metals, ionic associates, sorption concentration, ICP-MS, polystyrene sorbents.