ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ МАГНИТНЫХ ЧАСТИЦ НА СОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПОРИСТОГО БИОРАЗЛАГАЕМОГО ПОЛИМЕРА Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 544.35+539.21

Аракчеев А.В., Крылов Д.И., Кашевский С.В., Широких С.А., Королёва М.Ю.

ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ МАГНИТНЫХ ЧАСТИЦ НА СОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПОРИСТОГО БИОРАЗЛАГАЕМОГО ПОЛИМЕРА

Аракчеев Андрей Владимирович, студент 2 курса кафедры наноматериалов и нанотехнологии, e-mail: andrejus_nm@mail.ru

Крылов Даниил Игоревич, студент 2 курса кафедры наноматериалов и нанотехнологии, Кашевский Сергей Владимирович, студент 2 курса кафедры наноматериалов и нанотехнологии, Широких Сергей Александрович, аспирант кафедры наноматериалов и нанотехнологии, Королёва Марина Юрьевна, д.х.н., профессор кафедры наноматериалов и нанотехнологии Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047 Москва, Миусская пл., д. 9

В выполненной работе были исследованы сорбционные свойства пористого материала на основе сшитого коллагена при поглощении трансмиссионного масла. Пористый коллаген с магнитными частицами оксида железа был получен методом криотропного гелеобразования. При увеличении содержания магнитных наночастиц от 5,0 до 7,5 мас.% сорбционная ёмкость по трансмиссионному маслу увеличилась от 3,5 ± 0,1 до 3,8 ± 0,2 г/г. При увеличении концентрации наночастиц до 20мас.% сорбционная ёмкость уменьшилась до 2,6 ± 0,1 г/г. Таким образом, оптимальная концентрация магнитных наночастиц для получения композиционного пористого полимерного материала для сорбции нефтепродуктов составляет 7,5-10,0мас.%.

Ключевые слова: пористый сорбент, биоразлагаемый материал, ликвидация разливов нефтепродуктов, сшитый коллаген, магнитные наночастицы.

INFLUEENCE OF MAGNETIC PARTICLES CONCENTRATION ON THE SORPTION PROPERTIES OF BIODEGRADABLE POROUS POLYMER

Arakcheev A.V., Kiylov D.I., Kashevsky S.V., Shirokikh S.A., Koroleva M.Yu. Mendeleev University of Chemical Technology, Moscow, Russia

In this work, the capacity of a porous material based on cross-linked collagen was investigated during the sorption of gear oil. Porous collagen with magnetic parts of iron oxide was obtained by cryotropic gelation. With an increase in the content ofmagnetic nanoparticles from 5.0 to 7.5 wt.%, The sorption capacity for transmission oil increased from 3.5 ± 0.1 to 3.8 ± 0.2 g/g. With an increase in the concentration of nanoparticles to 20 wt.% Sorption capacity decreased to 2.6 ± 0.1 g/g. Thus, the optimal polymer structure ofmagnetic nanoparticles for a composite material for sorption ofpetroleum products is 7.5-10.0 wt. %. Keywords: porous sorbent, biodegradable material, oil spill remove, cross-linked collagen, magnetic nanoparticles.

Актуальной для нефтегазовой промышленности является проблема разливов нефти на водных объектах во время ее добычи и транспортировки. Существует несколько способов ликвидации разливов: механический, физико-химический, термический и биологический. Механический основан на ограждении и сборе нефти. Физико-химический - на сборе нефти при помощи сорбции. Термический - на её сжигании. Биологический заключается в использовании биологических объектов, разлагающих нефтепродукты до безопасных для окружающей среды компонентов. Наиболее эффективным методом для очистки от тонких пленок нефтепродуктов является метод сорбции полимерными материалами, которые благодаря пористой структуре хорошо впитывают нефть. Использование биоразлагемых полимеров является преимуществом перед остальными ввиду отсутствия вреда окружающей среде при правильной утилизации. В качестве источника для получения таких сорбентов может быть использован природный органический полимер - коллаген [1, 2].

Дисперсия нановолокон коллагена, на основе которой получен сорбционный материал, была выделена из предварительно очищенной шкуры крупного рогатого скота. Сшитый коллаген был

получен по методике, описанной в патенте [3]. На основе подобных полимеров могут быть получены композитные материалы, где в качестве наполнителя выступают магнитные наночастицы. Сорбенты с магнитными свойствами могут быть более эффективными, так как после окончания процесса сорбции они могут быть удалены с места разлива с помощью магнитного поля, что позволит избежать вторичного загрязнения. Магнитные частицы оксидов железа универсальны, просто синтезируются, биосовместимы. В данной работе было изучено влияние концентрации магнитных частиц FeзO4 и метода их внедрения в матрицу пористого материала на основе сшитого коллагена на его сорбционные свойства.

Для иммобилизации магнитных частиц в полимерный материал на основе сшитого коллагена в качестве среды для его получения из дисперсии волокон методом криотропного гелеобразования был использован раствор хлоридов железа. Раствор содержал ионы железа Бе2+ и Бе3+ в мольном соотношении 1:2 из расчета концентрации получаемых частиц FeзO4 от 5 до 20 мас.% от массы волокон коллагена. В ходе криотропного гелеобразования образовывалась пористая структура из волокон коллагена, которую потом высушивали. Затем

пористыи материал пропитывали водным раствором аммиака, что приводило к синтезу магнитный наночастиц.

На рисунке 1 представлены кинетические кривые сорбции трансмиссионного масла (вязкость 670 мПа-с) образцами с различным массовым содержанием магнитных наночастиц FeзO4.

£ 3

Li

s и

—

с

I -

Ко 1ЩС1ГГр 1ШШ1 £1Ü1ЮЧЯСI ULI А ] О мае .'"il C2ÜMпс.%

□ □ □ О

О

I о

2 О 3 0 I 5ретля. с

40 ^О

Рис. 1. Кинетические кривые сорбции трансмиссионного масла пористым полимером на основе сшитого коллагена с иммобилизованными

магнитными наночастицами Видно, что при уменьшении количества магнитных наночастиц от 20 до 10 мас.% сорбционная ёмкость по трансмиссионному маслу пористого композиционного материала на основе сшитого коллагена возрастает от 2,6 ± 0,2 г/г до 3,8 ± 0,2 г/г. На рисунке 2 представлена сорбционная ёмкость по трансмиссионному маслу для образцов пористого материала на основе сшитого коллагена с концентрацией магнитных наночастиц от 5 до 20 мас.%.

■ ■ ■ 4

Г7! =:

I 1

1JO

-■ 0

5 К) 20

Концетрндия м;и, шиных иапочао'1 шд. im.c.%

Рис. 2. Сорбционная ёмкость по трансмиссионному маслу пористых материалов с различным содержанием магнитных наночастиц Как видно из рисунка 2, при уменьшении количества иммобилизованных магнитных наночастиц от 20 до 10 мас.% заметно возрастает сорбционная ёмкость от 2,6 ± 0,2 г/г до 3,8 ± 0,2 г/г. При дальнейшем уменьшении количества наночастиц оксида железа до 7,5 мас.% сорбционная ёмкость не изменяется (3,9 ± 0,2 г/г), а до 5 мас.% незначительно уменьшается до 3,5 ± 0,2 г/г.

Также, для сравнения были получены образцы высокопористого биоразлагаемого полимера с магнитными наночастицами оксида железа, предварительно полученными по методике, описанной

в работе [4]. Готовые наночастицы были добавлены в образец до замораживания в количестве, составляющем 10 мас.% от дисперсной фазы. На рисунке 3 представлены кинетические кривые сорбции масла двумя образцами композиционных материалов с наполнителем в виде предварительно полученных магнитных наночастиц и магнитных наночастиц, полученных in situ.

На ночастнцы получены

□ LipC^BiipiIKJJlbtlO

■ ш и

-на - -

fr!

f ê

4

m i-i

* I -

-1-1-1-1-1

1 О 20 30 40 50 Время.

Рис. 3 Кинетические кривые сорбции трансмиссионного масла пористым полимером на

основе сшитого коллагена с предварительно полученными магнитными частицами и частицами, полученными in situ Сорбционная ёмкость полученных

композиционных материалов по трансмиссионному маслу составила 3,8 ± 0,2 г/г как в случае предварительно полученных наночастиц, так и в случае наночастиц, полученных непосредственно в матрице полимерного материала. Таким образом, возможно получение композиционных материалов в виде магнитных наночастиц железа непосредственно в матрице сшитого коллагена в количестве 10 мас.% от массы дисперсной фазы без изменения сорбционных свойств для получения сорбента нефтепродуктов.

Данная работа выполнена при финансовой поддержке Фонда содействия инновациям (договор № 15091ГУ/2020)

Список литературы

1. Широких С.А., Загоскин П.С., Вайнерман Е.С., Королёва М.Ю. Биоразлагаемый пористый материал для сорбции нефтепродуктов с поверхности воды // Успехи в химии и химической технологии. - 2019. - Т. 33. - № 10(220). - С. 62-63.

2. Минаков Г.С., Широких С.А., Королева М.Ю, Вайнерман Е.С., Юртов Е.В. Наноструктурированные полимерные материалы на основе сшитого коллагена для сорбции нефтепродуктов с поверхности воды // Сборник тезисов XI ежегодной конференции Нанотехнологического общества России. - 2020. - С. 3839.

3. Vainerman E.S., Portnaya I.B. Porous polymer material and process for production thereof: Pat. 5494939 USA. - 1996.

4. Wang N., Zhu L., Wang D., Wang M., Lin Z., Tang H. Sono-assisted preparation of highly-efficient peroxidase-like Fe3Ü4 magnetic nanoparticles for catalytic removal of organic pollutants with H2O2 // Ultrasonics Sonochemistry. - 2010. -Vol. 17. - P. 526-533