научная статья по теме СОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПОЛИСТИРОЛА, МОДИФИЦИРОВАННОГО ФУЛЛЕРЕНОМ Химия

Текст научной статьи на тему «СОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПОЛИСТИРОЛА, МОДИФИЦИРОВАННОГО ФУЛЛЕРЕНОМ»

ФИЗИКОХИМИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ЗАЩИТА МАТЕРИАЛОВ, 2012, том 48, № 2, с. 197-200

НАНОРАЗМЕРНЫЕ И НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ == МАТЕРИАЛЫ И ПОКРЫТИЯ

СОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПОЛИСТИРОЛА, МОДИФИЦИРОВАННОГО ФУЛЛЕРЕНОМ

Учреждение Российской академии наук Институт химии растворов РАН Россия, 153045, Иваново, ул. Академическая, 1 E-mail: ova@isc-rac.ru Поступила в редакцию 29.12.2010 г.

Проведена модификация полистирола фуллереном и получены композиционные пленки. Изучена кинетика сорбции ионов тяжелых металлов на исходных и модифицированных полистирольных пленках из водных растворов электролитов. Установлено, что эффективность сорбции ионов меди на модифицированном полимере возрастает в 4 раза при сокращении времени сорбции по сравнению с аналогичными характеристиками для немодифицированных образцов. Селективность сорбции на композите представлена рядом Cu(II) > Cd(II) > Ni(II) > Zn(II). Методом ИК-спектроскопии изучено взаимодействие полистирола с фуллереном.

Композиты полимеров с фуллеренами имеют широкие перспективы практического применения в различных областях промышленности, медицине, фармакологии. Это обусловлено тем, что модифицирование полимеров наночастицами углерода, существенно улучшает их физико-химические свойства: проводящие, оптические, механические, каталитические и способствует приобретению новых, например, биологической активности [1].

Различные формы фуллерена (С60, С70, фулле-реновые нанотрубки, фуллереновая сажа) проявляют адсорбционную активность по отношению к органическим растворителям [2, 3] и ионам металлов [4]. Это свойство наночастиц используется для модификации поверхности неорганических материалов с целью увеличения их поверхностной активности [5, 6].

В настоящее время в литературе представлены работы по функционализации синтетических полимеров фуллереном различными способами [7— 9]. Среди большого числа полимеров — полистирол представляет интерес для функционализации фуллереном в растворах ароматических углеводородов за счет нековалентного взаимодействия электроно-донорной макромолекулы полимера с электроно-акцепторной молекулой С60 [8]. Можно полагать, что модификация полистирола фул-лереном приведет к увеличению удельной поверхности сформованных пленок и повышению сорбционной активности композитов. Кроме того, сополимеры стирола и дивинилбензола являются сырьем для промышленного производства катионитов, и разработка сорбентов на основе полистирола, модифицированного нанокласте-

рами углерода, позволит существенно расширить ассортимент сорбентов. Для количественной оценки изменения свойств поверхности полимера вследствие модификации можно использовать его адсорбционные характеристики.

В связи с этим целью данной работы явилось исследование влияния модификации полистирола фуллереном на его сорбционные свойства по отношению к ионам тяжелых металлов.

В качестве объекта исследования был выбран атактический полистирол (ПС) с М 1 х 105. В работе использовали фуллерен С60, продукт фирмы "Фуллереновые технологии", Санкт-Петербург, с содержанием основного вещества 95.5%. Модифицирование полистирола наночастицами углерода проводили путем растворения отдельно навесок полимера и фуллерена С60 в о-ксилоле и с последующим смешиванием этих растворов в необходимой пропорции. Содержание С60 в композите варьировали от 0.01% до 0.1% мас. Пленки получали методом полива раствора полимера на стеклянную подложку с последующей выдержкой до полного испарения растворителя. Полученные пленки были прозрачны, толщиной 70 мкм, имели достаточную механическую прочность. Модифицированная полистирольная пленка имела светло-фиолетовую окраску, интенсивность которой зависела от содержания фуллерена в композите.

Сорбционные свойства полистирольной и модифицированной ПС пленок по отношению к ионам Си(11), N1(11), 2п(П) и Сё(П) были изучены в статическом режиме при 293 К. Кинетику сорбции ионов тяжелых металлов исходными и

Рис. 1. Кинетика сорбции ионов Cu(II) на исходной и композиционных ПС пленках с различным содержанием фуллерена: 1 - ПС пленка; 2 - 0.01% С60; 3 -0.02% С60; 4 - 0.03% С60; 5 - 0.1% С60.

модифицированными ПС пленками из водных растворов их сульфатов изучали методом обмена ионов между сорбентом и раствором ограниченного объема [10]. В пробирки вносили навески полимера (m) по 0.05 г, затем приливали равные объемы ( V) по 5мл водного раствора сульфата металла с одинаковой концентрацией и выдерживали от 10 мин до 1 суток при перемешивании. Исходная концентрация (Со) ионов тяжелых металлов в водных растворах составляла 7 х 10-5-9 х 10-5 моль/л. Через определенные промежутки времени (т) растворы отфильтровывали и в фильтрате определяли остаточную концентрацию ионов металла (Ст) методом атомно-абсорбционной спектроскопии на спектрометре "Сатурн". Количество сорбированных ионов металлов (Ат) за период времени (т) рассчитывали по формуле:

Коэффициент распределения (KD) определяли как отношение концентрации ионов металла в фазе сорбента (Ар) к концентрации ионов металла в растворе (Ср) при равновесии: KD = Ар/Ср.

Относительная погрешность при определении величины Ар, Ат не превышала 7%.

ИК-спектры пленок регистрировали на спектрофотометре Avatar 360 FT-IR ESP в области волновых чисел 400-4000 см-1.

Кинетические характеристики являются одними из главных критериев при выборе сорбентов для извлечения ионов металлов из водных растворов различной природы. Время установле-

ния сорбционного равновесия было определено из кинетических кривых, характеризующих увеличение концентрации ионов металла на исходной ПС пленке и на образцах, модифицированных фуллереном, в процессе сорбции. На рис. 1 представлены кинетические кривые процесса сорбции ионов меди на ПС и композиционных пленках при различном содержании С60 в композите. Видно, что максимальное количество ионов Си(11) поглощается исходной ПС пленкой примерно за 35 мин после начала сорбции и далее, практически, не изменяется при контакте полимера с раствором в течение 24 часов (рис. 1, кривая 1). Введение в массу полистирола 0.1% мас. фуллерена способствует некоторому улучшению кинетических характеристик композита по сравнению с немодифицированной ПС пленкой, о чем свидетельствует сокращение времени достижения равновесия до 20 мин (рис. 1, кривая 5). Сорбционная активность композитов зависит от содержания наночастиц С60 в пленке (рис. 1). Композит, содержащий 0.01% С60, и исходная ПС пленка поглощают, примерно, одинаковое количество ионов Си(11). С увеличением доли наноча-стиц до 0.03% эффективность сорбции возрастает примерно в 4.5 раза по сравнению с ПС пленкой. Дальнейший рост содержания фуллерена в композите до 0.1% не оказывает существенного влияния на эффективность сорбционного процесса. Степень извлечения ионов Си(11) составляет 12% при использовании немодифицированного полистирола и 60% — при извлечении ионов меди фул-леренсодержащим полимером. Улучшение сорб-ционно-кинетических характеристик модифицированного полимера, по-видимому, связано с увеличением удельной поверхности композитов и ростом концентрации активных сорбционных центров.

Селективность композита, содержащего 0.1% С60, по отношению к ионам металлов различной природы иллюстрирует расположение кинетических кривых сорбции на рис. 2. Из рисунка видно, что наиболее эффективно композит поглощает ионы меди и кадмия, в меньшей степени активность композита проявляется по отношению к ионам цинка. Следует отметить, что скорость сорбции ионов N1(11), 2п(П), Сё(П) несколько ниже, чем ионов Си(11). Селективность сорбции на композите можно представить рядом Си(11) > > СЩП) > N1(11) > 2п(П).

Для выяснения характера структурно-химических изменений в полистироле в результате его модификации наночастицами углерода и в ходе сорбционных процессов был проведен анализ колебательных спектров исходных, композиционных и пленок, насыщенных ионами меди.

В ИК-спектре полистирола в виде дублетов проявляются полосы валентных колебаний свя-

СОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПОЛИСТИРОЛА

стью кольца с реакционноспособными группами. В ИК-спектре молекулы фуллерена четыре колебания являются активными с полосами поглощения при 527, 577, 1183 и 1429 см-1 [12]. Наиболее чувствительными к переносу заряда являются колебания полосы поглощения при 1429 см-1.

Качественных изменений в ИК-спектрах пленок, допированных фуллереном и насыщенных сорбатом, по сравнению с исходной ПС пленкой не наблюдается, однако, интенсивности полос в спектрах исследуемых образцов существенно различны (рис. 3). Следует заметить, что ИК-спек-тры не поддаются количественной интерпретации вследствие перекрывания полос, соответствующих колебаниям фенильного кольца и фуллерена (1451-1429 см-1).

В работе предпринята попытка полуколичественного анализа ИК-спектров изученных образцов пленок с использованием метода базовой линии и внутреннего стандарта, в качестве которого зей С=С бензольного кольца в областях 1600- была выбрана полоса поглощения связи С-Н с 1585 и 1500-1400 см 1 (рис. 3). Полосы плоскост- максимумом при 906 см-1 [13]. В таблице приведе-

Рис. 2. Кинетические кривые сорбции ионов металлов на композите, содержащем 0.1% С60: 1 — ^п(П); 2 - N1(11); 3 - СЩП); 4 - Си(11).

ных деформационных колебаний связей С-Н цикла находятся в области 1300-1000 см-1. Вне-плоскостные деформационные колебания связей

ны отношения оптических плотностей характеристических полос поглощения при 1451 см-1 и 1600 см-1 в спектрах пленок к оптической плотно-

С-Н цикла проявляются при 900-675 см 1 [П]. сти полосы 906 см-1. Как следует из этих данных, в

Полосы валентных колебаний в фенильных коль- спектрах фуллеренсодержащих и насыщенных

цах обычно оказываются очень чувствительны к сорбатом ПС пленках наблюдаются существенные

возможности сопряжения п-электронной плотно- изменения относительных интенсивностей полос

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎