Модифицирование хлопковой целлюлозы сульфаниловой кислотой

Введение

В настоящее время во многих странах мира остро стоит проблема ухудшения качества питьевой воды. На протяжении многих лет качество воды ухудшается в основном за счет антропогенной деятельности, а также быстрой индустриализации и неквалифицированного использования водных ресурсов. Одним из сильнейших по действию и наиболее распространенным химическим загрязнением является загрязнение тяжелыми металлами. Среди опасных для здоровья веществ тяжелые металлы и их соединения занимают особое место, так как являются постоянными спутниками в жизни человека.

Растущий масштаб загрязнений тяжелыми металлами вызывает рост количества раковых и сердечно-сосудистых заболеваний, различных отравлений. Воздействие тяжелых металлов на организм человека особенно опасно в долгосрочной перспективе влияния этих элементов.

Сорбционный метод очистки водных растворов различной природы является одним из наиболее эффективных. Высокая стоимость традиционных сорбентов, применяемых для очистки вод от тяжелых металлов, сдерживает их широкое применение [1]. Важность данной проблемы подтолкнула многих исследователей к разработке альтернативных сорбентов, которые могут быть использованы для удаления ионов тяжелых металлов из различных водных сред. Особый интерес вызывают материалы, получаемые из возобновяемых источников, которые имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционно используемыми сорбентами [2-6]. Такие материалы зачастую оказываются надежными, экономически обоснованными и экологически безопасными сорбентами. Одним из таких материалов является хлопковая целлюлоза, химическая модификация которой позволяет получать эффективные по отношению к разным загрязнителям сорбенты [7].

Целью данной работы является модификация хлопковой целлюлозы сульфаниловой кислотой и изучение эффективности полученного сорбента по отношению к ионам тяжелых металлов.

Экспериментальная часть

В качестве объекта для модификации была выбрана хлопковая целлюлоза, которая имеет влажность 8%. Для очистки от примесей ее предварительно кипятили с 5 % раствором NaHCO₃ и высушивали до постоянного веса.

Кинетику сорбции ионов тяжелых металлов исследовали в статических условиях при перемешивании методом ограниченного объема раствора. Для получения кинетических кривых в серию пробирок помещали навески сорбента массой по 0,10 г, заливают их 10 см³ водного раствора сульфата металла и выдерживали от 5 мин до 24 ч при перемешивании и температуре 273 К. Начальная концентрация (C₀) ионов металлов составляла 1,5·10^-4 моль/л. Через определенные промежутки времени раствор отделяли от сорбента фильтрованием и определяли в нем текущую концентрацию ионов металлов (С) методом атомно-абсорбционной спектроскопии на приборе 210VGP.

Сорбционную емкость (А) сорбентов рассчитывали по формуле (1):

(1)

Степень извлечения α определяли следующим образом:

(2)

Результаты и их обсуждение

Для определения параметров, характеризующих сорбционные свойства сорбента, были получены кинетические кривые сорбции ионов Cu(II), Zn(II). Как показали кинетические исследования, равновесие в гетерогенной системе водный раствор сульфата металла – хлопковая целлюлоза устанавливается в течение 45 мин. Степень извлечения ионов меди и никеля из растворов их солей с концентрацией 1,5×10^-4 моль/л в условиях равновесия составляет 57,6 % и 54,0 % соответственно (рис. 1, кривые 1, 2).

Полученные результаты свидетельствуют о сравнительно невысоких сорбционных характеристиках нативной целлюлозы. С целью их улучшения была проведена химическая модификация природного сорбента.

Модификация целлюлозы проводилась в два этапа:

• окисление хлопковой целлюлозы метаперйодатом натрия с образованием диальдегидцеллюлозы;
• взаимодействие диальдегидцеллюлозы с натриевой солью сульфаниловой кислоты с образованием модифицированной целлюлозы[8].

Исследование кинетики сорбции ионов Cu²⁺ и Ni²⁺ из водных растворов их сульфатов показало, что время достижения равновесия в системе водный раствор – модифицированный сорбент составляет 5 мин, что практически на порядок ниже, чем для исходного образца. При этом степень извлечения ионов металлов составляет 95,0 % и 80,5 % соответственно для Cu²⁺ и Ni²⁺ (рис. 2, кривые 1, 2), т.е. увеличивается примерно в 2 раза по сравнению с нативной целлюлозой. Таким образом, полученные данные свидетельствуют о том, что модификация целлюлозы приводит к значительному улучшению сорбционных характеристик сорбента.

Следует предположить, что в процессе модифицирования нативной целлюлозы натриевой солью сульфаниловой кислоты на поверхности сорбента происходит закрепление сорбционно – активных групп. Для подтверждения этого предположения с помощью элементного анализатора FLASH TM 1112 был исследован элементный состав образцов модифицированных сорбентов, полученных в результате обработки целлюлозы водными растворами сульфаниловой кислоты различной концентрации. Данные, представленные в табл. 1, свидетельствуют, что с увеличением концентрации раствора натриевой соли сульфаниловой кислоты в процессе модифицирования возрастает содержание серы в модифицированной целлюлозе, а, следовательно, и содержание сорбционно – активных групп. Это и обусловливает рост сорбционной активности целлюлозы, модифицированной натриевой солью сульфаниловой кислоты, по сравнению с нативной целлюлозой.

Таблица 1. Влияние концентрации C₆H₆NSO₃Na на содержание в сорбенте серы и сорбционно – активных групп - SO₃Na

Выводы

Исследованы сорбционные свойства нативного и модифицированного полисахаридного сорбента по отношению к ионам Cu²⁺ и Ni². Обнаружено, что модификация целлюлозы позволяет увеличить степень извлечения ионов тяжелых металлов с 57,6 % до 95,0 % (для ионов меди) и с 54,0 % до 80,5 % (для ионов никеля). Кроме того, время извлечения ионов тяжелых металлов сокращается с 45 до 5 мин. Таким образом, путем химического модифицирования хлопковой целлюлозы разработан новый эффективный сорбент, предназначенный для очистки воды и водных растворов от ионов тяжелых металлов.