Олигохитозаны высокоэффективные коагулянты полифункционального действия Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

96

Химия

Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2007, № 6, с. 96-98

УДК 547.995

ОЛИГОХИТОЗАНЫ - ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ КОАГУЛЯНТЫ ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ

© 2007 г. П.В. Татаринов 1, А.Е. Мочалова 2, Л.А. Смирнова 2, И.В. Бодриков 1

1 Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

2 Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского

orgchim@nntu.nnov. ги

Пкступила вре2акцию 05.11.2007

Показано, что олигохитозан и его К,№диметилированные производные являются эффективными коагулирующими системами для очистки сточных вод производства акрилатных латексов. Порог коагуляции К,№диметилхитозана составляет 0.0004%, олигохитозана - 0.0054%. Эффективность полученного коагулянта ~ в 100 раз выше, чем солей А13+. Введение олигохитозанов вызывает изменение

электрокинетического потенциала латекса.

Введение

Производственные сточные воды предприятий химической, нефтехимической, целлюлозно-бумажной, легкой, текстильной и других отраслей промышленности в большинстве случаев представляют собой слабоконцентрированные, агрегативно устойчивые эмульсии, коллоидные растворы или суспензии, содержащие отрицательно заряженные частицы размером 0.001-10 мкм [1]. В настоящее время для очистки сточных вод применяются методы коагуляции и флокуляции. Эффективность коагуляционной очистки зависит от многих факторов: вида коллоидных частиц, их концентрации, степени дисперсности и величины электрокинетического потенциала; наличия в сточных водах электролитов и других примесей; а также природы самого коагулянта. В качестве высокоэффективных минеральных коагулянтов широко используются соли алюминия, железа, магния и др. Известно [2], что коагулирующее действие органических ионов проявляется сильнее, чем у соответствующих им по валентности неорганических. Поэтому разработка высокоэффективных экологически чистых органических коагулянтов в настоящее время остается актуальной задачей. Одним из перспективных источников сырья для разработки новых коагулянтов является природный полисахарид хитин. Хитин и его деацетилированное производное хитозан (аминополисахарид 2-амино-2-дезокси-Б-глюкан) различной молекулярной массы благодаря широкому спектру полезных свойств и возможности получения из доступного, возобновляемого сырья активно вовлекаются в препаративный органический синтез и производство. Общая репродукция хитина в природе мо-

жет обеспечить мировой потенциал производства 80 тыс. тонн хитозана в год [3]. Одной из перспективных сфер рационального использования хитозана является создание высокоэффективных коагулянтов и флокулянтов для очистки производственных сточных вод от нефтепродуктов, лакокрасочных материалов и других примесей. Не менее перспективным является направление, связанное с разработкой коагулирующих систем широкого спектра действия на основе олигохитозана. Работы в этом направлении практически отсутствуют. Поэтому для определения границ действия таких коагулянтов необходимы характеристики эффективности связывания купажных примесей олигохитоза-нами определённой молекулярной массы и формы модификации.

В соответствии с этим целью настоящей работы является определение характеристик оли-гохитозана и его производных как коагулянтов (величины электрокинетического потенциала и порога коагуляции) при очистке сточных вод производства акрилатных латексов, позволяющих судить об эффективности связывания отходов в этих сточных водах.

Экспериментальная часть

В работе использовали хитозан (ХТЗ) (акционерное общество «Биопрогресс», Московская обл.) с молекулярной массой (ММ) 120х103 и степенью деацетилирования 0.82. Олигохитозан с молекулярной массой 4500 (~ 27 звеньев) получали радикальной деградацией исходного полисахарида в растворе 0.5% НС1 при низкой температуре с использованием окислительновосстановительной системы на основе перокси-

да водорода. Молекулярную массу хитозана определяли вискозиметрическим методом при 21 °С в смеси 0.33 N СН3СООН и 0.3 N №01 на вискозиметре Уббелоде. Расчет проводили по формуле [п] = кМа, где к = 3.41? 10-3, а = 1.02 [4]. ^^Диметилхитозан получали по реакции Эшвейлера-Кларка [5] в соответствии со схемой:

+ 2 0021 +2Н20.

Синтез проводили при температуре 70-75°С в течение 3 часов, молярное соотношение: звено глюкозамина/СН2О/НСООН варьировали от 1/0.25/5 до 1/3/10. Продукты реакции идентифицировали методом ИК-спектроскопии (спектрофотометр «Shimadzu»). В ИК-спектрах продуктов реакции появляется полоса поглощения, соответствующая колебаниям Я^-групп в области 1230 см-1, отсутствующая в спектрах поглощения исходного хитозана.

Величину ^-потенциала определяли по скорости электрофореза методом подвижной границы и рассчитывали по формуле:

Л х 3 х I

Ґ х и Х£Х£0’

где "Л - вязкость среды (для воды - 10-3 Н-с/м2);

3 - путь, м, пройденный границей золя за время Ґ, с; I - расстояние между электродами, м; и -приложенное напряжение, В; е - диэлектрическая проницаемость среды (для воды - 81); е0 -электрическая константа, равная 8.85? 10-12 Ф/м.

Коагулирующие свойства олигохитозана и его производных изучали на сточных водах производства акрилатных латексов, концентрация полиметакрилата в которых ~ 6%.

Результаты и их обсуждение

В соответствии с поставленной целью в работе планировалось выяснить, могут ли олигомеры хитозана с ММ < 5000 и его производные выступать в качестве эффективных коагулянтов

или флокулянтов при очистке сточных вод производства акрилатных латексов, частицы которых имеют отрицательный заряд.

Согласно представлениям Ла Мера [1], флокуляция представляет собой процесс формирования мостиков полимера между отдельными частицами твердой фазы вследствие закрепления молекулярных цепочек на поверхности разных частиц коллоидного раствора. В результате чего образуются флокулы, состоящие не из двух, а из большего числа частиц, которые при достижении критической массы выпадают в осадок. По теории коагуляции Б.В. Дерягина и Л.Д. Ландау при уменьшении величины заряда коллоидных частиц, т.е. при понижении значения электрокинетического потенциала, их способность к коагуляции возрастает. С наибольшей скоростью коагулируют коллоидные частицы, у которых заряд равен нулю. Поэтому для решения поставленных задач была определена величина электрокинетического потенциала исходного акрилатного латекса и латекса, содержащего различные концентрации олигомеров хитозана и его производных. Результаты представлены в таблице. Из таблицы видно, что как исходный олигохитозан, так и его метилированное производное вызывают существенное снижение электрокинетического потенциала исходного латекса. При этом эффективность К,К-диметилхитозана выше, по сравнению с немодифицированным олигохитозаном: величина ^-потенциала снижается до 21.9 мВ при концентрации олигохитозана 0.005 масс.%, в то время как для К,К-диметилхитозана достигает 20.3 мВ при концентрации на порядок меньшей (0.00038 масс.%). Полученные результаты говорят о том, что олигохитозан с ММ < 5000 и его метилированные производные являются коагулянтами.

Для количественной характеристики коагулирующей способности были определены значения порога коагуляции олигохитозанов, которые сопоставлены с соответствующей величиной наиболее эффективного из неорганических коагулянтов - ионов А13+.

Из таблицы видно, что порог коагуляции для катионов олигохитозана примерно в 10 раз меньше, чем для хлорида алюминия. В свою очередь, более основные К,К-диметилхитозаны обладают большей коагулирующей способностью по сравнению с исходным олигосахаридом: Ск уменьшается примерно в 10 раз.

Таким образом, впервые показано, что олигохитозан с молекулярной массой < 5000 и его метилированные производные являются высокоэффективными коагулянтами. Коагулирую-

+

П

Таблица

Значения порога коагуляции и ^-потенциала для полиметакрилатного латекса с различными коагулянтами

Kоагулянт Порог коагуляции Ск, % Kонцентpация коагулянта в растворе латекса, масс.% Z, мВ

Латекс 31.75

AlCl3 0.04

Низкомолеклярный хитозан (ММ=4500) 0.0054 0.005 21.9

0.00038 31.7

[ХТЗ]/[CH2O]/[HCOOH]=1/0.25/5 0.0005 0.004 17.69

0.00038 20.7

[ХТЗ]/[CH2O]/[HCOOH]=1/1/1 0.0004 0.00038 20.3

щая способность ^^диметилхитозана примерно в 100 раз выше, чем у хлорида алюминия.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 08-03-97051 -р_поволжье_а).

Список литературы

1. Вейцер Ю.М., Минц Д.М. Высокомолекулярные флокулянты в процессе очистки природных и сточных вод. М.: Стройиздат, 1984. 201 с.

2. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. М.:

Химия, 1976. 512 с.

OLIGOCHITOSANS ARE HIGH-PERFORMANCE COAGULANTS WITH POLYFUNCTIONAL ACTION

P. V. Tatarinov, A.E. Mochalova, L. A Smirnova, I. V. Bodrikov

It is shown, that oligochitosan and his N,N-dimetil derivatives are effetive coagulation systems for sewage treatment of manufacture acrylate latex. Coagulation threshold dimetylchitosan is 0.0004%, oligochitosan is 0.0054%. Effectiveness organic coagulant is in 100 times above, than salts aluminium chloride. Introduction oli-gochitosans cause a change of electrokinetic potential of latex.

3. Хитин и хитозан: получение, свойства и применение / Под ред. К.Г. Скрябина, Г.А. Вихоревой, В.П. Варламова. М.: Наука, 2002. 368 с.

4. Погодина Н.В., Лавренко П.Н., Поживил-ко К.С. и др. // Высокомолек. соед. Сер. А. 1982. Т. 28. № 2. С. 232-239.

5. Николаев А.Ф., Прокопов А.А., Шульгина Э.С., Чуднова В.М. // Журн. прикладной химии. 1985. Т. 58. № 8. С. 1916-1917.