Добавлен: 17.03.2024
Просмотров: 77
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Анализ структурных и морфологических изменений может быть выполнен методами дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), термогравиметрического анализа (ТГА), динамического механического анализа (ДМА), рентгеноструктурного анализа (РФА) и др. (Oraby, Senna, Elsayed, и Гобара, 2016).
5.9 КЛАССИФИКАЦИЯ РАДИАЦИОННО-ИНДУЦИРОВАННЫХ ПРИВИВНЫХ СОПОЛИМЕРОВ
Крайне важно понять многие физические формы (морфологии) радиационно-привитых функциональных сополимеров, а также их функциональность, чтобы понять их значение в очистке и разделении. Привитые сополимеры можно разделить на отдельные группы в зависимости от их происхождения, химической природы, процесса разделения и функциональных возможностей. Привитые сополимеры бывают различных морфологических форм, включая шарики, гели, волокна, ткани и мембраны, каждая из которых имеет свой собственный набор физических и химических свойств. Сополимеры, привитые радиацией, могут быть ионными или химически нейтральными, в зависимости от типа привитого мономера и химической обработки, используемой для придания ионным свойствам.
Большинство радиационно-привитых сополимеров являются синтетическими; например, модифицированные синтетические полимеры основной цепи, такие как полиэтилен, полипропилен (ПП), поли(винилиденфторид) (ПВДФ), поли(тетрафторэтилен) (ПТФЭ) и поли(этилен-со-тетрафторэтилен) (ЭТФЭ). Также используются привитые сополимеры с модифицированными природными полимерами основной цепи, такими как целлюлоза, крахмал, альгинат и хитозан. Привитые сополимеры можно разделить на многочисленные категории в зависимости от их функции или метода разделения, такие как ионообменники, обменники полимер-лиганд, хелатирующие сополимеры, гидрогели, аффинные привитые сополимеры и полимерные электролиты.
5.9.1 ГРАФТИРОВАННЫЕ СИНТЕТИЧЕСКИЕ АДСОРБЕНТЫ
Привитые адсорбенты представляют собой хелатирующие полимеры с модифицированными синтетическими полимерными матрицами, включающими иммобилизованные функциональные группы. Эти адсорбенты могут быть изготовлены из широкого спектра полимеров, содержащих функциональные группы (например, полиамины, полиакрилонитрил, полиакриламиды и ПАК), а также полимеров основной цепи (например, PP, PE и PTFE) в качестве носителей функциональных групп с высоким сродством. для некоторых металлов. Это предоставляет множество возможностей для пользовательских приложений селективного разделения. Образование комплексов между функциональными группами привитых адсорбентов и удаляемыми ионами металлов связано с процессами адсорбции привитых адсорбентов (Yantasee et al., 2004).
Прививочные адсорбенты бывают разных форм и размеров, включая шарики, волокна, текстиль и мембраны. RIGC активных мономеров, таких как AAc или AN, на полимерных пленках или волокнах (PE и PP) часто используется для изготовления композитных металлокомплексных адсорбентов, которые затем обрабатываются раствором ионов металлов.
Альтернативный метод приготовления хелатирующего адсорбента заключается в прививке неполярного мономера, такого как GMA, с последующим раскрытием эпоксидного кольца путем химической обработки иминодиацетатом динатрия и промывкой в подходящем растворе металла. Наличие карбоксилатных групп в привитых слоях вызывает образование комплексов акрилатов металлов, валентность которых зависит от иона металла. RIGC карбоксилатных мономеров образует комплексы с ионами различных металлов, в том числе Fe3+, Cо2+, Ni2+, Cr3+, Mn2+, Ar+, Cu2+, Cd2+, и Rh2+, на различные полимеры основной цепи с последующей химической обработкой растворами металлов (Choi & Nho, 2000; Turmanova & Atanassov, 2007; Yang, Peng, Wang, & Liu, 2010).
5.9.2 ГРАФТИРОВАННЫЕ БИОАДСОРБЕНТЫ
Привитые биоадсорбенты представляют собой хелатирующие сополимеры с природными полимерными (полисахаридными) скелетами, химически измененными ионными группами, такими как хитозан, альгинат, крахмал и целлюлоза. Нестабильность физико-химических характеристик их нативных форм, в том числе некоторых функциональных групп (например, ацетамидогруппы хитина, гидроксилы в полисахаридах и, в первую очередь, карбоксилы и сульфаты в полисахаридах морских водорослей), обусловила низкую селективность этих биоадсорбентов (JP Chen & Yang , 2005).
Поскольку биоадсорбенты менее дороги, чем синтетические ионообменные смолы, растет интерес к химической модификации природных полимеров для их получения. Для придания ионным свойствам полисахаридов применяли несколько привитых химических групп, включая фосфатные, сульфонатные, карбоксильные, амидо-, амино- и гидроксильные группы, с перекрестными связями, повышающими долговечность биоадсорбентов.
Биоадсорбенты на основе хитозана представляют собой эффективные смолы, используемые для различных целей по восстановлению окружающей среды, включая селективное удаление тяжелых металлов, ионов и красителей. Из-за своей гибкости биоадсорбенты могут использоваться в различных формах, включая хлопья, порошок, гели, шарики и волокна. Из-за ограниченной площади поверхности и отсутствия пористости чешуйчатые и порошкообразные формы адсорбентов на основе хитозана менее подходят для использования в колоннах промышленного масштаба, что приводит к высокому падению давления. С другой стороны, модифицированные шарики из сшитого хитозана обладают высокой пористостью, большой площадью поверхности и хорошей стабильностью в кислых средах, что делает их лучшим выбором для промышленного применения (Varma, Deshpande, & Kennedy, 2004).
Биоадсорбенты с привитым хитозаном также были получены путем прививки различных функциональных групп к основной цепи хитозана для увеличения плотности ионных центров и улучшения селективности сорбции различных ионов металлов. Этиленимин, эпихлоргидрин, АК, МА, ангидриды карбоновых кислот, метилпиридин, краун-эфир и этилендиаминтетрауксусная кислота были среди вновь привитых функциональных групп (Guibal, 2004).
5.9.3 ГИДРОГЕЛИ
Гидрогели нерастворимы в воде и представляют собой очень гидрофильные полимеры с топологией трехмерной сети. Гидрогели поглощают большое количество воды, в диапазоне от нескольких сотен до тысяч процентов от их сухого веса, благодаря своей сверхпоглощающей способности, которая обеспечивает неограниченный водный обмен между препаратами для внешней загрязненной воды. В зависимости от природы сетки гидрогели можно разделить на две категории: ковалентно сшитые сети (химические или постоянные гидрогели) и физические или обратимые гидрогели, образованные вторичными взаимодействиями.
Сшивка перманентных гидрогелей может быть осуществлена с использованием УФ-излучения или ионизирующего излучения, которые можно применять при комнатной температуре к широкому спектру типов гидрофильных полимеров без включения инициаторов или других химических веществ, оставляющих нежелательные остатки. С другой стороны, обратимые гидрогели имеют сетевую архитектуру, которая удерживается вместе за счет молекулярных зацеплений и/или вторичных сил, таких как ионная связь, водородная связь или гидрофобные силы.
Из-за наличия кластеров молекулярных переплетений и гидрофобных или ионных родственных доменов эти гидрогели неоднородны. У них также есть сбои в их транзитных сетях из-за наличия свободных концов цепи и петель (Hoffman, 2012).
Сшивание всегда улучшает стабильность гидрогелей. В этом контексте для изготовления гидрогелей на основе полисахаридов был описан новый процесс сшивки с использованием ионизирующего излучения (гамма-лучей или ЭБ) в пастообразном состоянии полимера (Kume, Nagasawa, & Yoshii, 2002; K. Singh, Ohlan, Saini, & Dhawan, 2008; Wach, Mitomo, Nagasawa, & Yoshii, 2003; Yoshii et al., 2003; L. Zhao, Mitomo, Nagasawa, Yoshii, & Kume, 2003).
Для гидрогелей используется ионизирующее излучение. Сшивание имеет несколько преимуществ по сравнению с традиционными подходами, включая возможность активировать реакцию без необходимости использования сшивающих химических веществ (или инициаторов) и возможность начать реакцию при комнатной температуре. Изменение дозы облучения может регулировать степень сшивания, что оказывает большое влияние на характеристики гидрогелей (Giammona, Pitarresi, Cavallaro, & Spadaro, 1999).
5.10 СИСТЕМЫ РАЗДЕЛЕНИЯ
Использование радиационно-привитых функциональных сополимеров для разделения или очистки требует выбора подходящей системы/процесса для выполнения требований по производительности и селективности. Сочетание факторов, относящихся к разделяющему полимеру, параметрам процесса и свойствам обработанного потока, определяет производительность и эффективность процесса разделения или очистки. Это включает в себя химический состав и форму разделяющего полимера, а также рабочие параметры процесса, включая режимы потока, скорость потока и физические и химические характеристики обрабатываемого потока. Разделяющий полимер, например, является мозгом системы, контролирующим выбор процесса разделения и режим работы.
Функциональные сополимеры, привитые радиацией, бывают четырех основных морфологий: мембраны, смолы/гранулы, гидрогели и волокна и ткани, как упоминалось ранее. Применение такого широкого диапазона морфологий для разделения требует разработки инженерных систем, способных контролировать рабочие параметры и общую производительность системы для достижения высокой производительности и селективности. Функциональные сополимеры были размещены в различных топологиях систем разделения.
На процесс выбора разделительных материалов, конфигурации системы и режима работы влияют три основных фактора: (1) характеристики обрабатываемого потока, такие как присутствующие вещества и их концентрации по отношению к целевым веществам и pH, (2) работа системы. параметры, в частности температура и давление, необходимые для достижения желаемой чистоты продукта, и (3) экономическая целесообразность или эксплуатационные расходы. Как правило, создавайте систему разделения, соответствующую критериям целевого потока, используя при этом разделительный полимер, обеспечивающий оптимальную эффективность и рентабельность. Поскольку радиационнопривитые функциональные сополимеры могут изготавливаться на заказ, существует большая вероятность того, что можно найти более одного технически удачного материала, удовлетворяющего всем требованиям разделения.
5.11 ПРИМЕНЕНИЕ РАДИАЦИОННО-ИНДУЦИРОВАННЫХ ПРИВИВНЫХ СОПОЛИМЕРОВ
Область разделения и очистки возникла во всем мире в научном мире с использованием привитых сополимеров из-за их биоразлагаемой природы и дешевых материалов, необходимых для их приготовления и дальнейших модификаций (при необходимости), включая простоту приготовления (Rajaram & Das, 2008) и низкая стоимость производства (Halder & Islamic, 2015). Именно по этой причине были разработаны и все еще разрабатываются различные типы сополимеров, включая гидрогели, смолы, волокна, мембраны и ткани. С этими сополимерами можно проводить разделения и очистку:
1. Очистка растворителя
2. Очистка раствора
3. Извлечение ионов
Радиационно-привитые сополимеры могут применяться для разделения газообразных и неводных смесей (Ochoa-Segundo et al., 2020).
Первый тип разделения в водных средах осуществляется, когда необходимо удалить растворенные ионы в виде примесей, а растворитель требуется в чистом виде. В большинстве случаев ионы считаются примесями. Более того, метод очистки растворителем не требует использования ионоселективной мембраны (Gonzalez-Torres et al., 2016).
Второй тип очистки, нежелательные растворенные вещества, которые могут быть токсичными, должны быть удалены из продукта раствором определенного состава. Наиболее распространенным примером является удаление ионов токсичных металлов или примесей из промышленных сточных вод. Другой пример — удаление токсических элементов из крови с помощью гемодиализа. Третий тип очистки необходим, когда растворенное соединение должно быть извлечено из раствора. Примером такой очистки является извлечение золота из выщелачивающих растворов и урана и ванадия из морской воды (Takács et al., 2005).
Различные типы функциональных групп, присутствующих в привитых сополимерах, могут выполнять различные типы разделения и очистки в соответствии с требованиями (Vajihinejad, Gumfekar, Bazoubandi, Rostami Najafabadi, & Soares, 2019).
Это включает опреснение солоноватой и морской воды, умягчение неочищенной воды, переработку едкого натра, извлечение кислоты, электролиз воды, окисление растворителей, выделение смесей растворителей, удаление ионов тяжелых металлов и пигментов из сточных вод, выделение токсичных кислот из сельскохозяйственных стоков. , удаление загрязняющих веществ, разделение белков и пептидов и очистка крови (гемодиализ).
В следующей главе описывается применение радиационно-привитых сополимеров для очистки сточных вод.