НОВИЙ ПОЛІМЕР-НЕОРГАНІЧНИЙ МАТЕРІАЛ НА ОСНОВІ СИЛІКАГЕЛЮ З АДСОРБОВАНИМ КОПОЛІМЕРОМ 8-МЕТАКРИЛОКСИХІНОЛІН-5-СУЛЬФОКИСЛОТИ ТА МЕТИЛМЕТАКРИЛАТУ: СИНТЕЗ ТА СОРБЦІЙНІ ВЛАСТИВОСТІ ЩОДО ЙОНІВ Сu(ІІ), Cd(II) ТА Pb(ІІ): DOI: https://doi.org/10.17721/1728-2209.2025.1(60).1

Еліна  ЯНОВСЬКА; Ірина  САВЧЕНКО; Марія  АНТОНЕЦЬ

Автор(и)

Еліна ЯНОВСЬКА Київський національний університет імені Тараса Шевченка https://orcid.org/0000-0001-8674-7874
Ірина САВЧЕНКО Київський національний університет імені Тараса Шевченка https://orcid.org/0000-0002-2269-4280
Марія АНТОНЕЦЬ Київський національний університет імені Тараса Шевченка

Ключові слова:

адсорбція, кополімер, композит, сорбційна ємність.

Анотація

Вступ. У результаті активних бойових дій у ході російсько-української війни територія України забруднюється величезною кількістю токсичних металів. Тому проблема очищення від них, зокрема водних об'єктів, ще довго буде мати критичне значення для збереження екосистем та національної безпеки нашої країни. Адсорбція є одним з найбільш економічно привабливих та екологічно сприятливих способів видалення різноманітних забруднень зі стічних вод, а полімер-неорганічні адсорбенти широко застосовуються у процесах очищення стічних вод від барвників та іонів токсичних металів. З метою підвищення їх ефективності щодо надлишкової кількості іонів токсичних металів на поверхні поруватих неорганічних матриць доцільно закріплювати полімери, які мають у своєму складі групи, активні до участі у процесах комплексоутворення у якості лігандів. Дана робота присвячена синтезу полімер-неорганічного композитного матеріалу на основі силікагелю з адсорбованим кополімером 8-метакрилоксихінолін-5-сульфокислоти та метилметакрилату, дослідженню його фізико-хімічних і сорбційних властивостей щодо іонів Cu(ІІ), Cd(ІІ) та Pb(ІІ).

Методи. Факт іммобілізації кополімеру на поверхні силікагелю підтверджували шляхом порівняльного аналізу ІЧ-спектрів та термограм синтезованого композиту та вихідного силікагелю. За результатами термогравіметричного аналізу встановлювали стадії термодеструкції закріпленого кополімеру та розраховували масову частку іммобілізованого кополімеру у складі синтезованого композиту. З використанням термогравіметричного аналізу, об’єднаного ІЧ-спектроскопією, були зроблені припущення про склад продуктів термодеструкції адсорбованого кополімеру. Зміни параметрів поверхні силікагелю після модифікації обраним кополімером встановлювали з використанням методу низькотемпературної адсорбції-десорбції азоту. Геометричну форму розташування кополімеру на поверхні силікагелю дослідили за допомогою сканувальної електронної мікроскопії. Дослідження сорбційної активності синтезованого композиту щодо іонів Сu(ІІ), Pb(ІІ), та Cd(ІІ) проводили у статичному режимі сорбції з розчинів нітратів без додавання буферних розчинів.

Результати. За результатами термогравіметричного аналізу розрахована масова частка іммобілізованого кополімеру у складі синтезованого композиту, яка становить 20,0±0,5 мас.%. На основі аналізу фотографій сканувальної електронної мікроскопії поверхні синтезованого композиту можна стверджувати, що іммобілізований кополімер вкриває переважну частину поверхні силікагелю тонкою плівкою. Встановлено, що сорбційна ємність синтезованого композиту підвищується у порівнянні з вихідним силікагелем щодо іонів Cu(ІІ) 3,8 разів, щодо іонів Cd(II) – у понад 3 рази, щодо іонів Pb(ІІ) – майже у десять разів.

Висновки. У результаті адсорбції попередньо синтезованого кополімеру 8-метакрилоксихінолін-5-сульфокислоти з метилметакрилатом на поверхні мезопоруватого силікагелю отримано новий полімер-неорганічний композитний матеріал. Зміни значень питомої площі поверхні, середнього діаметру та об’єму пор, отримані шляхом комп’ютерної обробки даних ізотерм низькотемпературної адсорбції-десорбції азоту різними методами, свідчать про те, що модифікація поверхні силікагелю даним кополімером не впливає на структуру його поверхні, а лише знижує її поруватість. Виявлено, що заміна нітро- та азогруп в складі адсорбованого кополімеру на сульфогрупи приводить до покращення сорбційних властивостей стосовно іонів Cd(II), але до погіршення щодо іонів Cu(II).

Посилання

Bhangi, B. K.; Ray, S. K. (2022). Synthesis of Cu Nanoparticles in a Chitosan Entrapped Copolymer Matrix for Photocatalytic Reduction of Textile Dye and Column Adsorption of Heavy Metal Ions from Water. Polym. Eng. Sci., 62 (5), 1399–1415. https://doi.org/10.1002/pen.25930.

Dabrowski, A.; Hubicki, Z.; Podkościelny, P.; Robens, E. (2004). Selective Removal of the Heavy Metal Ions from Waters and Industrial Wastewaters by Ion-Exchange Method. Chemosphere 2004, 56 (2), 91–106. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.03.006.

Du, X.; Zhang, H.; Hao, X.; Guan, G.; Abudula, A. (2014). Facile Preparation of Ion-Imprinted Composite Film for Selective Electrochemical Removal of Nickel(II) Ions. A.C.S. Appl. Mater. Interfaces, 6 (12), 9543–9549. https://doi.org/10.1021/am501926u.

Grishkewich, N.; Mohammed, N.; Tang, J.; Tam, K. C. (2017).Recent Advances in the Application of Cellulose Nanocrystals. Curr. Opin. Colloid Interface Sci., 29, 32–45. https://doi.org/10.1016/j.cocis.2017.01.005.

Joseph, L., Jun, B. M.; Flora, J. R. V.; Park, C. M.; Yoon, Y. (2019). Removal of Heavy Metals from Water Sources in the Developing World Using Low-Cost Materials: A Review. Chemosphere, 229, 142–159. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2019.04.198.

Junaid, M.; Liu, S.; Liao, H.; Liu, X.; Wu, Y., Wang, J. (2022). Wastewater Plastisphere Enhances Antibiotic Resistant Elements, Bacterial Pathogens, and Toxicological Impacts in the Environment. Sci. Total Environ., 841, 156805. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.156805.

Kanmani, P.; Aravind, J.; Kamaraj, M.; Sureshbabu, P.; Karthikeyan, S. (2017). Environmental Applications of Chitosan and Cellulosic Biopolymers: A Comprehensive Outlook. Bioresour. Technol., 242, 295–303. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2017.03.119.

Katare, Y.; Singh, P.; Sankhla, M. S.; Singhal, M.; Jadhav, E. B.; Parihar, K.; Nikalje, B. T.; Trpathi, A.; Bhardwaj, L. (2022). Microplastics in Aquatic Environments: Sources, Ecotoxicity, Detection & Remediation. Biointerface Res. Appl. Chem., 12 (3), 3407–3428. https://doi.org/10.33263/BRIAC123.34073428.

Kumar, S. G.; Rao, K. S. R. K. (2017). Comparison of Modification Strategies toward Enhanced Charge Carrier Separation and Photocatalytic Degradation Activity of Metal Oxide Semiconductors (TiO2, WO3, and ZnO). Appl. Surf. Sci., 391, 124–148. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.07.081.

Sathya, K.; Nagarajan, K.; Carlin Geor Malar, G.; Rajalakshmi, S.; Raja Lakshmi, P. (2022). A Comprehensive Review on Comparison Among Effluent Treatment Methods and Modern Methods of Treatment of Industrial Wastewater Effluent from Different Sources. Appl. Water Sci., 12 (4), 70. https://doi.org/10.1007/s13201-022-01594-7.

Savchenko, I., Yanovska, E., Vretik, L., Sternik, D., Kychkyruk, O., Antonets M. (2024). Silica based on inorganic–polymer hybrid materials for removing toxic ions from wastewater. Molecular Crystals and Liquid Crystals, https://doi.org/10.1080/15421406.2024.2348199.

Savchenko, I., Yanovska, E., Sternik D., Kychkyruk, O. (2023). Synthesis, Sorption Properties and Evaluation of Silica Gel with Adsorbed Poly[8-Oxyquinoline Methacrylate] as a Sorbent for Cu(II), Cd(II), Pb(II) and Fe(III) Ions. Chemistry & Chemical Technology, 17, 45–51. https://doi.org/10.23939/chcht17.01.045.

Savchenko, I., Yanovska, E., Sternik, D., Kychkyruk, O. (2024). New organo-mineral materials based on silica gels modified in situ with nitrogen-containing polymers: synthesis and adsorption properties for Pb(ІІ), Сu(ІІ), Cd(II), and Fe(III) ions. Molecular Crystals and Liquid Crystals, 768, 67–82. https://doi.org/10.1080/15421406.2023.2241305.

Sun, J.; Yan, X.; Lv, K.; Sun, S.; Deng, K.; Du, D. (2013). Photocatalytic Degradation Pathway for Azo Dye in TiO2/UV/O3, System: Hydroxyl Radical Versus Hole. J. Mol. Cat. A: Chem, 367, 31–37. https://doi.org/10.1016/j.molcata.2012.10.020.

Wang, C.; Yediler, A.; Lienert, D.; Wang, Z.; Kettrup, A. (2003). Ozonation of an Azo Dye C.I. Remazol Black 5 and Toxicological Assessment of Its Oxidation Products. Chemosphere, 52 (7), 1225–1232. https://doi.org/10.1016/S0045-6535(03)00331-X.

Wang, S.; Lu, A.; Zhang, L. (2016). Recent Advances in Regenerated Cellulose Materials. Prog. Polym. Sci., 53, 169–206. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2015.07.003.

Yanovska, E., Savchenko, I., Vretik, L., Kychkyruk, O. (2023). Polymer-inorganic nanocomposites based on silicas and natural minerals of Ukraine for the purification of wastewater from toxic metal ions. Kyiv University.[in Ukrainian].

Yanovska, E., Savchenko, I., Kychkyruk, O. (2022). Comparison of sorption properties towards toxic metal ions of organomineral composites based on vermiculite with in situ immobilized and adsorbed poly [8-oxyquinoline methacrylate]. Chemistry, physics and surface technology 13, 289–300. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/hftp13.03.289.

Yanovska, E., Savchenko, I., Sternik, D., Kychkyruk, O. (2023), Adsorption properties of natural Ukrainian saponite clay with adsorbed poly [8-hydroxyquinoline methacrylate] to Pb(ІІ), Cu(ІІ) and Fe(ІІІ) ions. Molecular Crystals and Liquid Crystals, 750, 69–79. https://doi.org/10.1080/15421406.2022.2073038.

Ye, Z., Yin, X.; Chen, L., He, X.; Lin, Z., Liu, C.; Ning, S.; Wang, X.; Wei, Y. (2019). An Integrated Process for Removal and Recovery of Cr(VI) from Electroplating Wastewater by Ion Exchange and Reduction-Precipitation Based on a Silica-Supported Pyridine Resin. J. Cleaner Prod. 2019, 236, 117631. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.117631.

Zhuang, L.; Li, Q.; Chen, J.; Ma, B.; Chen, S. (2014). Carbothermal Preparation of Porous Carbon-Encapsulated Iron Composite for the Removal of Trace Hexavalent Chromium. Chem. Eng. J., 253, 24–33. https://doi.org/10.1016/j.cej.2014.05.038.

Zinadini, S.; Zinatizadeh, A. A.; Rahimi, M.; Vatanpour, V.; Zangeneh, H.; Beygzadeh, M. (2014). Novel High Flux Antifouling Nanofiltration Membranes for Dye Removal Containing Carboxymethyl Chitosan Coated Fe,O Nanoparticles. Desalination, 349, 145–154. https://doi.org/10.1016/j.desal.2014.07.007.