ТИПЫ ИОНИТОВ. МИНЕРАЛЬНЫЕ ИОНИТЫ

Тип работы: Курсовая работа
Бесплатно: Антиплагиат
Объем: 16 страниц
В избранное:

Казахский национальный педагогический университет им. Абая
Институт магистратуры и докторантуры PhD

Шохтаева Лаура Адилхановна

КУРСОВАЯ РАБОТА

Синтез новых анионобменных материалов на основе ГМА-ММА

Научный руководитель
д.х.н., профессор Бектенов Н.А.

Алматы, 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ СОКРАЩЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

1
ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1
Ионообменные смолы

1.2
Сульфокатиониты

1.3

1.4

1.5

2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1
Методы синтеза сополимеров ГМА

2.2
Методы исследования физико-химических свойств ионитов

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Статическая обменная емкость - количество функциональных групп, содержащихся в единице массы или объема ионита.
Ионит - твердое, зернистое, порошкообразное, формованное или волокнистое, механическое прочное, химически устойчивости, нерастворимое вещество, содержащее в своем составе функциональные (ионногенные) группы, способные к ионизации и обмену с ионами электролитов в растворе.
Катионит - ионит с закрепленными анионами и анионогенными группами, обменивающимися с внешней средой катионами.
Анионит - ионит с закрепленными катионами и катионогенными группами, обменивающимися с внешней средой анионами.
Сорбция - поглощение растворенных веществ твердыми телами или жидкостями.
Набухаемость - изменение удельного объема ионообменного материала при набухании в каком - либо растворителе.

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ГМА - глицидилметакрилат
ТПГДА - трипропиленгликольдиакрилат
СОЕ - статическая обменная емкость, мг-эквг
ДАК - динитрил азоизо - масляная кислота
ПС - полистирол
ПП - полипропилен
ПГМА - полиглицидилметакрилат
ТМПЭТА - триметилолпропанэтокситриакрилат
У - химическая устойчивость
δ - влажность
Q - набухаемость
ЭЧ - эпоксидное число
ПЭИ - полиэтиленимин
ПЭПА - полиэтиленполимин

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Развитие химии высокомолекулярных соединений открывает все большие перспективы для расширения областей применения различных классов синтетических полимеров, в том числе ионообменных материалов. Наиболее известные ионообменники обычно получают на основе сополимеров стирола и дивинилбензола. Однако, иониты на их основе обладают низкими кинетическими свойствами и малой доступностью активных групп для крупных ионов. Использование в качестве исходного мономера глицидилметакрилата (ГМА), сочетающего в себе легкополимеризующуюся двойную связь и эпоксидную группу, дает возможность синтеза ионитов с различными функциональными группами под действием кислотных или основных отвердителей.
Цель диссертационной работы развитие химии высокомолекулярных соединений открывает все большие перспективы для расширения областей применения различных классов синтетических полимеров, в том числе ионообменных материалов.
В соответствии с указанной целью работа включала в себя решение следующих задач:
::изучение методов синтеза анионитов на основе эпоксиакрилатов;
::установление состава и структуры образующихся макромолекул методам ИК- спектроскопии;

::изучение основных физико-химических свойств анионитов на основе ГМА-ММА
Научная новизна работы состоит в том, что предлагаемые могут стать перспективными катионитами в области ионообменного процесса, которые будут применяться в атомной промышленности.
Практическая значимость работы заключается в том, что на основе ГМА - ММА могут быть использованы при решении задач в атомной промышленности. При этом попутно решаются вопросы очистки сточных вод, что улучшало бы состояние окружающей среды. Также высокопроницаемые иониты благодаря повышенным физико-химическим характеристикам могут быть использованы в атомной, нефтяной промышленности, в водоподготовке и др.
Апробация работы. Результаты работ будут докладываться на научных семинарах в институте химии им. А.Б.Бектурова лаборатории ИОС и на кафедре, а также, выступление с докладами в различных международных научных конференциях, симпозиумах.
Публикации. По материалам диссертации в соавторстве опубликована 1 статья.

Литературный обзор

0.1 Общие положение ионного обмена.
Ионный обмен - процесс, при котором происходит стехиометрический обмен ионов одного знака между ионитом и раствором.
Иониты - твердые высокомолекулярные вещества, способные поглощать из раствора электролита положительные или отрицательные ионы в обмен на эквивалентное количество других ионов того же знака. Они имеют трехмерную пространственную структуру макромолекул. Этим объясняется их низкая растворимость.
По знаку заряда обменивающихся ионов иониты разделяются на катиониты и аниониты.
Каждый ионит состоит из каркаса (матрицы), связанного валентными силами или силами кристаллической решетки. В матрице закреплены фиксированные ионы, которые создают на ней положительный или отрицательный заряд, компенсирующийся зарядом подвижных ионов противоположного знака (противоионов). Противоионы свободно перемещаются в порах ионита и могут быть заменены другими противоионами.
Катионит представляет собой полианион с подвижными катионами, а анионит - поликатион с подвижными анионами.
Существуют также биполярные иониты (амфолиты), имеющие и катионообменные и анионообменные группы. Для наглядности ионит можно сравнить с губкой, на нитях которой в отдельных точках имеется избыточный электрический заряд (фиксированные ионы), в порах губки циркулируют противоионы. Если губка погружается в раствор, подвижные противоионы могут ее покинуть и перейти в раствор.
Для сохранения электронейтральности в губку обязательно должно войти эквивалентное количество других ионов того же знака.
Данная модель губки правильно отражает ряд свойств ионита. Она объясняет эквивалентность ионного обмена, независимость максимальной емкости от природы противоиона, которая зависит от заряда матрицы, от количества активных групп в ионите (под активной группой мы понимаем совокупность фиксированного иона и противоиона).
Модель губки дает правильное представление о кинетике процесса: ионный обмен является диффузионным процессом, скорость которого зависит от подвижности противоионов и от степени диссоциации исходной активной группы.
Но модель губки совсем не объясняет селективности ионитов, по ней, ионный обмен - только статистическое распределение противоионов между ионитом и раствором, которое должно обусловить одинаковые соотношения обменивающихся противоионов в ионите и растворе после установления равновесия. В большинстве случаев это условие не выполняется [48] по причинам, о которых мы будем говорить в дальнейшем. Несколько слов о терминах сорбционный передел, сорбция, десорбция, используемых на урановых заводах.
Конечно, адсорбция, представляющая собой фиксацию адсорбируемых молекул на поверхности твердой фазы, может сопутствовать ионному обмену, но она никак не может определять физико-химическую сущность ионообменного процесса. Основной его признак - эквивалентность обмена - не характерен для сорбции.
ТИПЫ ИОНИТОВ
МИНЕРАЛЬНЫЕ ИОНИТЫ
Природные минеральные иониты представляют собой, как правило, кристаллические алюмо- или ферросиликаты, жесткая решетка которых несет избыточный заряд. Характерными представителями их являются цеолиты: анальцим Na[Si2AlO6], натролит Na2[Si3Al2O10]·2H2O и др. Появление избыточного отрицательного заряда в их кристаллической решетке связано с тем, что в кристаллической решетке кремнезема (SiO2 ) в некоторых ее узлах Si[4+] замещается на Al[3][+] при сохранении количества атомов кислорода. Избыточный отрицательный заряд компенсируется катионом Na[+] , который не имеет определенного места в кристаллической решетке. Кристаллическая решетка цеолитов жесткая, поэтому размер пор её - фиксированный и составляет 3 - 7 ангстрем (1[-10]м ); цеолиты служат как молекулярные сита.
Глауконит (зеленые пески) представляет собой железоалюмосиликат калия и имеет жесткую решетку с мелкими порами. У них ионный обмен осуществляется только на поверхности кристаллов. Такие пески ранее использовались для умягчения морской воды. Цеолиты и глаукониты являются минеральными катионитами.
Некоторые алюмосиликаты имеют слоистую структуру, они способны к интерламинарному (межслойному) набуханию. Поглощенная вода и способные к обмену ионы находятся между слоями.
Многие глины содержат Na(K)MgAl2[Si12Al3O30(OH)6] - монтмориллонит. Он проявляет свойства и катионита, и анионита. Глины с монтмориллонитом могут поглощать уран и другие радиоизотопы. Чистыми минеральными анионитами являются апатит - [Ca5(PO4)3]F и гидроксоапатит - [Ca5(PO4)3]OH .

СИНТЕТИЧЕСКИЕ НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ИОНИТЫ
В Германии для умягчения воды и очистки сахарного сока от кальция и магния использовались пермутиты - искусственно полученные алюмосиликаты щелочных металлов (сплавлением SiO2, Al2O3 и Na2CO3 ). Пермутиты имеют полную емкость до 1,5 - 2 мг- эквг. Ионообменные свойства проявляют гидроксиды циркония, ванадия, титана, частично гидролизованный фосфат циркония. Можно представить себе следующие структуры таких веществ:

Такие вещества, содержащие гидроксильные группы, в кислых средах проявляют себя как аниониты с емкостью до 1,2 мг-эквг, а в щелочных средах - как слабокислотные катиониты с емкостью до 0,8 мг-эквг. Японские исследователи используют подобные материалы для изучения процесса извлечения урана из океанской воды.

СИНТЕТИЧЕСКИЕ ИОНООБМЕННЫЕ СМОЛЫ
Ионообменные смолы в настоящее время являются наиболее распространенными ионитами. Их каркас (так называемая матрица) состоит из неправильной высокополимерной пространственной сетки углеводородных цепей (алканы и бензольные кольца). В определенных местах матрицы закреплены активные ионогенные группы, способные к диссоциации.
В результате диссоциации получаются фиксированные ионы, прикрепленные к матрице, и подвижные противоионы, циркулирующие в порах матрицы. Матрица ионита гидрофобна, полистирол (основа многих смол) в воде нерастворим. Введение активных групп означает введение в гидрофобную матрицу гидрофильной группы. Ионит становится полиэлектролитом, способным к набуханию. При набухании объем ионита увеличивается вследствие внедрения в зерна ионита воды.
Таким образом, синтетические ионообменные смолы - это гели полиэлектролитов, способные к набуханию; набухаемость их ограничивается поперечными связями.
Свойства синтетических ионообменных смол определяются числом и типом активных групп, а также строением матрицы (в первую очередь - количеством поперечных связей). Число активных групп определяет полную емкость ионита. Емкость ионита и количество поперечных связей определяют степень набухания, от которой зависит подвижность противоионов, а, следовательно, и скорость ионообменных процессов.
При большом числе поперечных связей средний размер пор может составлять несколько ангстремов; при очень малом числе поперечных связей он может быть в сотни раз больше (в набухшем состоянии). Строение матрицы определяет химическую и термическую стойкость ионитов, а значит и их срок службы. Важную роль играет и тип активных групп.
В зависимости от степени диссоциации активных групп катионитов, находящихся в H[+] -форме, катиониты разделяются на:
сильнокислотные, содержащие сульфогруппу SO3Н− , константа ионизации их (Ku) велика (10-1 - 10[-2]), поэтому они могут работать при всех значениях рН; особенно хорошо диссоциирует сульфогруппа, внедренная в бензольное кольцо (смола КУ-2);
среднекислотные, содержащие фосфоновую группу РО3Н2− с константой ионизации 10[-5]-10[-6], они могут работать при рН=2 - 14;
слабокислотные - смолы с карбоксильной группой (Ku=10[-6]-10[-8]); они работают при рН=5 - 14 (при отсутствии селективности);
очень слабокислотные - смолы с фенольной группой (-C6Н4-ОН) и с сульфгидрильной группой - SH, в силу малого значения константы ионизации (K=10[-10]-10[-12]) , они диссоциируют только в сильнощелочной среде и могут работать при рН =9 - 14.
По степени диссоциации анионитов в ОН[-] форме различают: сильноосновные аниониты - смолы, содержащие или четвертичные алкиламмониевые группы (R4N)[+], или группы с пиридиниевыми основаниями (R-CH2-N[+]C5H5), константа ионизации 10[-1]-10[-3], они могут работать при всех значениях рН;
среднеосновные аниониты - смолы с третичными (R3HN)[+], вторичными (R2H2N)+ и первичными (RH3N)[+] аминогруппами, константа ионизации 10[-4]-10[-6] рабочая область рН=0 - 10;
слабоосновные аниониты - смолы с третичными и ... продолжение

Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.