CC BY
10
УДК 541.135
Шашкова Т.М., Горончаровская И.В., Царькова Т.Г., Евсеев А.К.
ВЛИЯНИЕ ПРЕДОБРАБОТКИ АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИ СИНТЕЗИРУЕМЫХ КОМПОЗИТОВ
Шашкова Татьяна Михайловна, студентка 4 курса факультета технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов;
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Горончаровская Ирина Викторовна, к.х.н., старший научный сотрудник Отделения общей реанимации, e-mail: goririna22@,gmaiLcom;
ГБУЗ «Научно-исследовательский институт скорой помощи им. Н.В. Склифосовского ДЗМ», Москва, Россия 129090, Москва, Б. Сухаревская площадь, д.3
Царькова Татьяна Григорьевна, к.х.н., профессор кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов;
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Евсеев Анатолий Константинович, д.х.н., ведущий научный сотрудник Отделения общей реанимации ГБУЗ «Научно-исследовательский институт скорой помощи им. Н.В. Склифосовского ДЗМ», Москва, Россия 129090, Москва, Б. Сухаревская площадь, д.3
В настоящей работе исследовано влияние предобработки активированного угля марки Norit RXS в растворе пиррола на конечные характеристики синтезируемых композитов. Установлено, что предварительное выдерживание активированного угля в растворе пиррола перед синтезом влияет на величину потенциала при разомкнутой цепи и рН композитов. Выявлено, что длительность предварительной обработки угля в растворе пиррола также влияет на указанные показатели.
Ключевые слова: активированный уголь, полипиррол, электрохимическая полимеризация, предобработка
INFLUENCE OF ACTIVATED CARBON PRETREATMENT ON CHARACTERISTICS OF ELECTROCHEMICALLY SYNTHESIZED COMPOSITES
Shashkova T.M., Tsarkova T.G., Goroncharovskaya I.V.*, Evseev A.K.*
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
*N.V. Sklifosovsky Research Institute of Emergency Medicine, Moscow, Russia
In this paper the influence of activated carbon Norit RXS pretreatment in pyrrole solution on characteristics of the synthesized composites was studied. It was established that the preliminary treatment of activated carbon in the pyrrole solution before synthesis affects the open circuit potential and pH of the composites. It was obtained that the duration of pretreatment of activated carbon in a pyrrole solution affects these parameters as well.
Keywords: activated carbon, polypyrrole, electrochemical polymerization, pretreatment
Создание эффективных и гемосовместимых сорбентов для удаления из организма токсических веществ с помощью гемо- или плазмосорбции остается важным направлением в медицине в настоящее время. В сорбционных колонках могут использоваться как специфические сорбенты (например, на основе ионообменных смол с иммобилизированными специфическими лигандами [1]), так и неспецифические сорбенты, такие как активированный уголь [1, 2]. Несомненным преимуществом неспецифических сорбентов является их высокая адсорбционная активность и невысокая стоимость, однако существенным недостатком является их способность адсорбировать не только необходимые токсические вещества, но также и другие компоненты крови. Кроме того, зачастую немодифицированные активированные угли являются агрессивными по отношению к
клеткам крови, что обусловлено их природой. Придание активированным углям биосовместимых свойств без потери их адсорбционной активности является актуальной задачей. Возможным путем достижения биосовместимости активированных углей является их электрохимическое модифицирование, как посредством поляризации до определенных потенциалов [3], так и посредством электрохимической полимеризации на поверхности угля проводящих полимеров [4].
Активированный уголь ИХБ может
являться потенциальным материалом для создания гемосорбентов, поскольку он имеет низкую зольность и высокую удельную площадь - порядка 1200 м2/г и является микро-мезопористым углем. Однако немодифицированный уголь ИХБ
оказывает травмирующее действие по отношению к клеткам вследствие высокой щелочности (рН > 9).
Ранее на примере угля марки АГ-3 было показано, что электрохимическое модифицирование поверхности угля проводящим полимером полипирролом позволяет добиваться
гемосовместимости угля [4]. Поэтому можно предположить, что модифицирование угля Когй полипирролом также позволит улучшить его свойства. В работе [5] при исследовании композитов на основе угля АГ-3 было сделано предположение, что пленка полипиррола покрывает
преимущественно макропоры активированного угля [5], однако микро и мезо поры остаются не покрытыми полимером, что может являться причиной дополнительного подщелачивания среды, в которой находится уголь. Поскольку молекула пиррола имеет размер, меньше, чем диаметр микро и мезо пор, то она может адсорбироваться в порах микро-мезопористого активированного угля. В работе [6] указано, что при модифицировании активированного угля производили его предварительное выдерживание в растворе мономера до 16 часов для адсорбции последнего, однако не было приведено данных о том, влияет ли длительность предварительного выдерживания на конечные характеристики угля. Поэтому исследование этого представляется нам весьма актуальным.
Таким образом, целью данной работы является исследование влияния предварительной обработки активированного угля в растворе мономера пиррола на конечные характеристики синтезированного композита.
В качестве объекта исследования в работе был выбран экструдированный активированный уголь марки Когй КХБ. Электрохимическую полимеризацию пиррола на поверхности активированного угля проводили в трехэлектродной электрохимической ячейке с насыпным рабочим электродом (Рис. 1).
Рис. 1 Схема ячейки для полимеризации пиррола на активированном угле: 1 - корпус, 2 - прокладка, 3 -токоподвод, 4 - токоподвод из термически расширенного графита, 5 - активированный уголь, 6 - сетка
Активированный уголь поляризовали в течение 1 часа при потенциале +800 мВ (относительно нас. Л§/Л§С1) в растворе 0,15М №С1, содержащем 0,1М пиррол. Для выявления влияния предварительной обработки угля на его конечные характеристики, полимеризацию на поверхности активированного угля проводили без предварительного выдерживания в растворе мономера, а также при выдерживании угля в течение 1, 2 и 5 суток. После проведения
электрохимической полимеризации,
активированный уголь тщательно отмывали от остатков мономера и хранили в растворе 0,15M NaCl.
Измерение величин потенциалов углей при разомкнутой цепи (ПРЦ) проводили по методу [7], рН растворов хранящихся углей определяли с помощью рН метра Ф360 (Beckman Coulter).
Результаты мониторинга величин ПРЦ (1) и рН (2) немодифицированного угля и полученных композитов [АУ/ПП/Cl-] с различным временем предварительного выдерживания в растворе мономера приведены на Рис. 2.
Было обнаружено, что модифицирование поверхности активированного угля Norit RXS 1 полипирролом приводило к смещению величин ПРЦ полученных композитов в область более положительных значений (Рис. 2 (а)), которое, вероятно, обусловлено как анодным окислением поверхности угля, так и влиянием осажденной пленки полипиррола. Считается, что кислотно-основные свойства углей определяются в основном составом и концентрацией кислородсодержащих функциональных групп на поверхности углей [8]. Таким образом, обработка поверхности АУ различными методами позволяет управлять их свойствами. Так, ранее [5] на примере угля АГ-3 было показано, что электрохимическая полимеризация пиррола на его поверхности приводит к увеличению содержания кислых групп. В то же время у полученных композитов происходило смещение величин рН в область более кислых значений по сравнению с исходным углем (Рис.2 (б)). Кроме того, было выявлено, что длительность предварительной обработки угля в растворе мономера также влияет на ПРЦ и рН получаемых композитов. Так, величина ПРЦ композита [АУ/ПП/Cl-] без предварительного выдерживания к 30 суткам хранения достигал значения 209 мВ (ЛПРЦ = 39 мВ), композит, выдержанный 1 сутки - 186 мВ (ЛПРЦ = 36 мВ), 2 суток - 176 мВ (ЛПРЦ = 31 мВ) и 5 суток - 163 мВ (ЛПРЦ = 27 мВ). Стоит отметить, что немодифицированный уголь за месяц хранения также достиг потенциала, близкого к углям, покрытым полипирролом - 170 мВ, однако величина ПРЦ сместилась на 147 мВ относительно исходного значения. Более существенные изменения наблюдались при мониторинге величин рН полученных композитов. Так, значение величины рН композита [АУ/ПП/Cl-] без предварительного выдерживания к 30 суткам хранения установилась на уровне 8, 1 суток - 7,6, 2 суток - 7,6 и 5 суток -7,3. Величина рН немодифицированного угля через месяц хранения составила 8,6. В целом, более длительное выдерживание угля до проведения полимеризации приводило к снижению величин как ПРЦ, так и рН полученных композитов, что позволило улучшить их характеристики. Однако выдерживание угля в растворе мономера более 1 суток не приводило к значимым изменениям как величин ПРЦ углей, так и их рН.
/, сутки сутки
Рис. 2 Мониторинг ПРЦ (а) и рН (б) активированного угля ^гН RXS в процессе хранения в 0,15М №0: 1 -немодифицированный уголь; 2 - уголь без предварительного выдерживания; 3 - уголь, выдержанный в течение 1 суток; 4 - уголь, выдержанный в течение 2 суток; - уголь, выдержанный в течение 5 суток.
Таким образом, предварительная обработка активированного угля в растворе пиррола в течение суток позволяет улучшить характеристики получаемых композитов за счет снижения величин потенциала при разомкнутой цепи углей и приближения значений рН к нейтральным значениям. Обнаруженный эффект, вероятно, связан с адсорбцией мономера в порах угля и дополнительным блокированием поверхностных функциональных групп.
Список литературы
1. Морозов А.С., И.В. Бессонов, А.В. Нуждина и др. Сорбенты для экстракорпорального удаления токсических веществ и молекул с нежелательной биологической активностью (обзор) // Общая реаниматология. - 2016. - Т. 12. - №6. - С. 83-107.
2. Пьянова Л.Г. Углеродные сорбенты в медицине и протеомике // Химия в интересах устойчивого развития. - 2011. - №19. - С. 113-122.
3. Goldin M.M., Volkov A.G., Goldfarb Y.S. [et al.] Electrochemical Aspects of Hemosorption // J. Electrochem. Soc. - 2006. - V. 153. - P. J91-J99.
4. Khubutiya M.Sh., Goldin M.M., Stepanov A.A. [et al.] The effect of electrochemically polymerized
pyrrole on the physicochemical properties and biological activity of carbon materials // Carbon. -2012. - V. 50. - P. 1146-1151.
5. Вольфкович Ю.М., Горончаровская И.В., Евсеев А.К. и др. Влияние электрохимического модифицирования активированных углей полипирролом на их структурные характеристики, состав поверхностных соединений и адсорбционные свойства // Электрохимия. - 2017. - Т. 53. -№12. - С. 1517-1528.
6. Hong S., Cannon F.S., P. Hou [et al.] Adsorptive removal of sulfate from acid mine drainage by polypyrrole modified activated carbons: Effects of polypyrrole deposition protocols and activated carbon source // Chemosphere. - 2017. - V. 184. -P. 429-437
7. Goldin M.M., Kolesnikov V.A., Khubutiya M.S. [et al.] Open circuit potential shifts of activated carbon in aqueous solutions during chemical and adsorption interactions // J. Appl. Electrochem. -2008. - V. 38. - №10. - P. 1369-1374.
8. Bansal R.C., Goyal M. Activated Carbon Adsorption. Boca Raton, FL: CRC Press, 2005. 472 p.
