Физикохимия поверхности и защита материалов, 2021, T. 57, № 6, стр. 588-594
Гидратация карбоксильного волокнистого сорбента в различных ионных формах
Ю. С. Перегудов 1, *, Л. П. Бондарева 1, Б. А. Обидов 1, С. И. Нифталиев 1
1 ФГБОУ ВО “Воронежский государственный университет инженерных технологий”
394036 Воронеж, проспект Революции, 19, Россия
* E-mail: inorganic_033@mail.ru
Поступила в редакцию 22.12.2020
После доработки 12.07.2021
Принята к публикации 13.07.2021
Аннотация
Рассчитаны характеристики гидратации карбоксильных волокнистых материалов в металлических формах. Проведено сопоставление полученных характеристик с селективностью волокна ВИОН КН-1 к катионам металлов. Показано, что обмен ионов Cu2+, Ni2+, Zn2+, Cd2+, Pb2+, Mg2+, Ca2+ сопровождается перестройкой во второй гидратной оболочке ионообменников, характеризующейся уменьшением количества воды. Энтальпия дегидратации и общее количество воды уменьшаются при переходе от натриевой формы к ионным формам волокнистого сорбента. По результатам термического анализа определены температурные интервалы и количество удаляемой воды для каждой ступени дегидратации ионных форм волокна. Для Cu2+-, Ni2+-, Zn2+-, Pb2+-форм волокнистого сорбента наблюдаются наибольшие различия в количестве выделившейся воды на разных ступенях дегидратации по сравнению с другими формами. Установлено, что изменение количества воды средней гидратации при переходе от рабочей к обмениваемой форме сорбента совпадает с наиболее вероятным рядом селективности изученных катионов к волокну ВИОН КН-1.
ВВЕДЕНИЕ
Межфазный перенос растворителя оказывает влияние на ионообменное равновесие в набухающих материалах. Для объяснения механизма ионообменных процессов необходимо знать состояние воды в фазе ионообменника. Степень гидратации ионов, зависящая от их зарядов и радиусов, является одним из важных факторов, определяющих их подвижность и химическую активность. Гидратация ионов во многом определяет их поведение в растворе и способность сорбироваться, она влияет на скорость передвижения ионов, на условия их сближения и адсорбции на границе раздела фаз. Большая и устойчивая гидратная оболочка затрудняет перемещение ионов в воде и сближение с активными центрами обмена. При перемещении обмениваемых ионов происходит их взаимодействие с определенным количеством молекул воды. На скорость и глубину протекания сорбции будет оказывать влияние кинетически неравноценная вода в сорбентах. При изучении ближней гидратации важную роль играют кинетические свойства раствора, то есть диффузия и самодиффузия [1, 2]. Сведения о межфазном переносе воды и характеристиках гидратации при протекании ионного обмена помогут выбрать оптимальные условия процесса сорбции.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
Исследованию гидратации зернистых ионообменных материалов в ионных формах посвящено много работ. Наименее изучены хемосорбционные волокнистые материалы ВИОН.
Изотермы адсорбции воды на анионообменной смоле в ионных формах Cl– и Br– показали, что максимальное число гидратации этих анионов составляет три, когда они связаны с активными группами. По мере поступления большего количества молекул воды порядка 40% ионов диссоциируют из ионообменных групп. На основе полученных результатов обсуждалась селективность разделения этих ионов. Установлено, что для двух анионообменных смол с функциональными триметиламмониевыми и диметиламмониевыми группами, селективность к Br−-иону выше. Средние числа гидратации для данного аниона не зависят от структуры активной группы. В то время как степень ионной ассоциации между анионом и ионообменными группами зависит от типа функциональной группы. Подтверждено, что более сильная ионная ассоциация наблюдается для смолы с диметиламмониевыми группами и согласуется с более низкой селективностью иона Br– к этой смоле [3, 4].
Установлено, что катион K+ частично дегидратируется при переносе внутрь катионообменной смолы, в то время как ионы Rb+ и Sr2+ сохраняют свои первичные гидратационные структуры [5].
Содержание воды определяли в пяти сильноосновных анионообменных смолах с функциональными триметиаммониевыми группами, имеющими различную обменную емкость и степень сшивки дивинилбензолом в одно-, двух-, трех- и четырехзарядных анионных формах. Показано, что гидратационные числа слабо гидратированных анионов Cl−, Br−, ${\text{ClO}}_{4}^{ - }$ и сильно гидратированного иона F– не зависят от обменной емкости и незначительно снижаются с увеличением сшивки до 8%. В то время как для сильно гидратированного иона ${{{\text{H}}}_{2}}{\text{PO}}_{4}^{ - }$ число гидратации заметно уменьшается с ростом обменной емкости и степени сшивки [6].
Установлено, что молекулы воды вблизи тетраметиламмониевых групп в анионообменной смолы стабилизированы в клатратоподобную структуру, чистой воды. В катионообменной смоле структура воды сильно отличается от чистой воды и напоминает структуру, обнаруженную в водном растворе серной кислоты [7].
В процессах ионного обмена необходимо учитывать гидратацию ионов и функциональных групп сорбентов. При изменении ионной формы сорбентов происходит перераспределение воды, что приводит к изменению характеристик гидратации и сорбции ионообменных, в том числе карбоксильных, материалов [8, 9].
Литературные данные по селективности карбоксильных ионообменников к катионам металлов весьма противоречивы [10–13]. Имеются основания предполагать, что для волокнистого карбоксильного ионообменника наиболее вероятен следующий ряд избирательности катионов:
Сродство катионов меди(II) к карбоксильному волокну значительно выше, чем остальных катионов переходных металлов и катионов свинца(II), для которых избирательность сравнима. Вероятно, этим и обусловлено различие положения катионов Ni2+, Pb2+, Zn2+, Cd2+ в рядах селективности.
Числа гидратации сорбируемых ионов по-разному изменяются в зависимости от обменной емкости и степени сшивки. Однако практически отсутствует информация о перераспределении воды при смене ионной формы сорбентов и его связи с сорбционными характеристиками. Целью работы являлось изучение особенностей гидратации карбоксильного волокнистого сорбента в различных ионных формах, определение термодинамических и количественных характеристик общей гидратации и распределения кинетически неравноценной воды в фазе сорбента для установления зависимости между гидратацией карбоксильного ионообменника и его селективностью.
МЕТОДИКА
В качестве объекта исследования служил волокнистый сорбент ВИОН КН-1 с функциональными группами –СООН, его характеристика дана в работе [14]. Подготовку волокнистого ионообменника проводили по стандартным методикам [15]. Исходное волокно находилось в натриевой форме. Солевые формы сорбента получали динамическим методом, пропуская растворы соответствующих солей с концентрацией 0.1 моль/дм3 через волокно.
Изотермы сорбции паров воды получали изопиестическим методом. Для этого выдерживали навески солевых форм волокна над насыщенными растворами солей с различным парциальным давлением водяного пара до установления равновесия. Поглощение паров воды солевыми формами волокна ВИОН КН-1 проводили при 298 К в диапазоне активности воды (aw) от 0.111 до 0.980 [15]. Установление равновесия определяли по постоянной массе образцов волокна, количество поглощенной воды определяли гравиметрическим методом [16, 17].
Экспериментальные исследования дегидратации образцов волокна в солевых формах проводили на приборе синхронного термического анализа (ТГ-ДТА/ДСК) модели STA 449 F3 Jupiter, фирмы NETZSCH в атмосфере азота [16, 18]. Для исследования использовали образцы волокна массой 0.1 г, которые выдерживали при активности воды 0.980. Точность измерения температуры методами дифференциально-сканирующей калориметрии (ДСК) и термогравиметрии (ТГ) составляет 0.1°С. Для обработки полученных кривых ДСК и ТГ использовали программное обеспечение NETZSCH Proteusи MS Excel, после чего строили дифференциальные кривые dДСК и dТГ. Эксперименты проводили по программе нагрева от 20 до 430°С со скоростью 5 К/мин в оксидированных алюминиевых тиглях в среде газообразного азота класса 5 с расходом продувочного газа – 60 см3/мин. В результате проведенных исследований получены 4 зависимости: кривая потери массы (ТГ), зависимость изменения массы образца от температуры; кривая тепловых эффектов (ДСК), из которой следует, что реакция эндотермическая; кривая скорости потери массы (ДТГ), то есть производная по времени; кривая скорости изменения ДСК (производная от ДСК), которая позволяет уточнить температуры начала и конца процесса дегидратации.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Набухание ионообменных сорбентов в воде сопровождается образованием структуры межмолекулярных водородных связей, различающихся по энергии [19]. Полимерная матрица, функциональные группы и противоионы обладают разной гидратационной способностью, влияющей на кинетическую неоднородность растворителя у образцов ионообменного волокна в различных солевых формах [9, 20–22]. Изучение сорбции паров воды позволяет получить информацию о механизме влагопоглощения ионными формами волокна. Количественной характеристикой поглощения воды волокном служат изотермы сорбции паров воды (рис. 1).
Как видно из рис. 1 изотермы имеют s-образный вид. Каждый участок изотерм соответствует разному характеру взаимодействия паров воды с ионными формами волокна. Начальный участок соответствует гидратации противоионов Pb2+, Cd2+ и карбоксильных групп волокна. Образовавшийся слой сорбированных молекул воды притягивает дополнительные молекулы воды. В результате наблюдается увеличение количества поглощаемой воды свинцовой формой волокна до значения aw равной 0.5, кадмиевой – 0.65. Полученные данные и приведенные в работах [9, 20, 21] позволили установить, что общее количество сорбированной воды (n∞, моль Н2О/моль ФГ) волокном ВИОН КН-1 уменьшается в ряду солевых форм:
По результатам изопиестического метода вычислены значения свободной энергии Гиббса гидратации (ΔhG) волокна ВИОН КН-1 в Cd2+, Pb2+-формах (рис. 2) по формуле, приведенной в работе [15]:
Известно, что набухание полимеров протекает в две стадии. Первая стадия – это связывание молекул воды определенными группами макромолекулы, сопровождающееся выделением теплоты. Вторая – это диффузия, протекающая без выделения теплоты и сопровождающая ростом энтропии системы [23]. При n < 1 гидратация волокна в свинцовой форме характеризуется большей величиной ΔhG по сравнению с кадмиевой формой. При сорбции до 4 моль воды наблюдается увеличение ΔhG, что соответствует наиболее интенсивному взаимодействию молекул воды и активных центров солевых форм волокна. Данный участок кривых соответствует поглощению солевыми формами ВИОН КН-1 воды ближней гидратации. Поглощение воды дальней гидратации волокном сопровождается незначительным изменением величины ΔhG. При полном набухании волокна энергия Гиббса имеет постоянное стандартное значение (ΔhG°), приведенное в табл. 1.
Таблица 1.
Ионная форма | ΔdehН, Дж/г | –ΔhG°, кДж/г | n∞, моль Н2О/моль ФГ |
---|---|---|---|
Na+ | 1234 | 103.2 | 14.9 |
Mg2+ | 1637 | 116.9 | 13.0 |
Ca2+ | 452 | 97.3 | 10.4 |
Cu2+ | 274 | 72.8 | 4.9 |
Ni2+ | 211 | 63.2 | 6.9 |
Zn2+ | 192 | 117.6 | 5.1 |
Cd2+ | 158 | 64.8 | 10.4 |
Pb2+ | 386 | 76.3 | 8.1 |
Данные по дегидратации карбоксильного волокна ВИОН КН-1 позволяют получить информацию по распределению кинетически неоднородной воды в ионных формах волокнистого сорбента. Результаты дифференциальной сканирующей калориметрии в виде термоаналитических кривых на примере Cd2+-формы волокна ВИОН КН-1 представлены на рис. 3. По кривым потери массы рассчитана степень превращения массы α (отношение массы образца в определенный момент времени к общему изменению массы в конце процесса).
По результатам ДСК рассчитаны энтальпии дегидратации (ΔdehН, Дж/г) карбоксильного волокна ВИОН КН-1 в различных ионных формах (табл. 1). Как видно из данных табл. 1, для s-металлов наблюдаются более высокие значения энтальпии дегидратации и количества поглощенной воды при предельной степени набухания, чем для d- и p-металлов. Следует отметить более существенные различия в энтальпиях гидратации ионных форм карбоксильного волокна, чем в энергиях Гиббса. Общее количество воды и энтальпия дегидратации уменьшается при переходе от натриевой формы к ионным формам карбоксильного волокна.
Для определения температурного интервала и количества воды, удаляемого с примерно одинаковой скоростью, построены графики зависимостей –lg α от 1/T (рис. 4). Приведенные зависимости являются ступенчатыми, состоящие из трех участков. Начальные участки соответствуют выделению молекул воды, расположенных в области дальней гидратации и образующих связи по типу диполь-дипольного взаимодействия. На втором участке выделяются молекулы растворителя и их ассоциаты, находящиеся вблизи функциональных групп волокна и противоионов. На третьем участке дегидратации выделяются молекулы воды, взаимодействующие с карбоксильными группами волокна и противоионами по ион-дипольному типу [15].
В табл. 2 приведены количественные характеристики кинетически неравноценной воды в различных солевых формах волокна ВИОН КН-1 в области предельного набухания определенные ранее [9, 20, 21] и в настоящей работе.
Таблица 2.
n | Форма волокна | Ступень дегидратации | Интервал температуры ступеней дегидратации Т, К | Количество выделившейся воды, х, моль Н2О/моль ФГ | Массовая доля воды, выделившейся на каждой ступени, % |
---|---|---|---|---|---|
1 | Na+ | I | 303–323 | 2.1 | 14 |
II | 323–354 | 9.3 | 61 | ||
III | 354–446 | 3.8 | 25 | ||
2 | Cu2+ | I | 303–325 | 1.0 | 20 |
II | 325–350 | 1.9 | 39 | ||
III | 350–428 | 2.0 | 41 | ||
3 | Ni2+ | I | 293–329.5 | 2.8 | 41 |
II | 329.5–356 | 2.3 | 33 | ||
III | 356–393 | 1.8 | 26 | ||
4 | Zn2+ | I | 293–326 | 1.7 | 33 |
II | 326–356 | 2.2 | 43 | ||
III | 356–393 | 1.2 | 24 | ||
5 | Ca2+ | I | 303–330 | 3.3 | 31 |
II | 330–374 | 3.5 | 33 | ||
III | 374–453 | 3.8 | 36 | ||
6 | Mg2+ | I | 303–323 | 4.3 | 33 |
II | 323–367 | 4.5 | 35 | ||
III | 367–453 | 4.2 | 32 | ||
7 | Cd2+ | I | 304–318 | 3.7 | 36 |
II | 318–366 | 3.1 | 30 | ||
III | 366–453 | 3.6 | 34 | ||
8 | Pb2+ | I | 303–331 | 3.6 | 44 |
II | 331–391 | 2.4 | 30 | ||
III | 391–453 | 2.1 | 26 |
Разница температур дегидратации ионных форм карбоксильного волокна составила для дальнесвязанной воды 22 градуса, среднесвязанной 35 градуса, ближнесвязанной 50 градусов. Удаление воды ближней гидратации из Ni2+- и Zn2+-форм волокна осуществляется в одинаковом интервале температур. Для Ca2+, Mg2+, Cd2+-форм также наблюдаются близкие интервалы температур удаления ближнесвязанной воды, но более высокие, чем для Ni2+- и Zn2+-форм. Можно предположить, что ионы Ni2+ и Zn2+ обладают боле высокой селективностью к карбоксильному волокну, чем ионы Ca2+, Mg2+, Cd2+. Наибольшее различие в количестве выделившейся воды на разных ступенях дегидратации наблюдается для Cu2+, Ni2+, Zn2+, Pb2+, Na+-форм волокнистого сорбента.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
По методике, предложенной в работе [8], определена энергия Гиббса межфазного переноса растворителя (ΔwG) при обмене ионов натрия на изученные катионы. Эта величина представляет собой разницу между энергиями Гиббса ионообменной сорбции и непосредственно обмена катионов и описывает вклад изменения гидратации сорбента при переходе от одной ионной формы к другой. Также определено изменение характеристик общей гидратации и распределения кинетически неравноценной воды при переходе от исходной натриевой формы волокнистого сорбента к формам поглощенных ионов, представленные в табл. 3.
Таблица 3.
Конечная ионная форма | Изменение общего количества воды (Δх, моль Н2О/моль ФГ) |
Изменение общего количества воды
дальней гидратации (Δх1, моль Н2О/моль ФГ) |
Изменение общего количества воды
средней гидратации (Δх2, моль Н2О/моль ФГ) |
Изменение общего количества воды
ближней гидратации (Δх3, моль Н2О/моль ФГ) |
Энергия Гиббса межфазного переноса растворителя (–ΔwG, кДж/моль) |
---|---|---|---|---|---|
Mg2+ | –2.2 | 2.2 | –4.8 | 0.4 | 550.0 |
Ca2+ | –4.6 | 1.2 | –5.8 | 0 | 390.4 |
Cu2+ | –10.3 | –1.1 | –7.4 | –1.8 | 644.5 |
Ni2+ | –8.3 | 0.7 | –7.0 | –2.0 | 638.7 |
Zn2+ | –9.1 | –0.4 | –7.1 | –2.6 | 612.3 |
Cd2+ | –4.8 | 1.6 | –6.2 | –0.2 | 505.95 |
Pb2+ | –7.1 | 1.5 | –6.9 | –1.7 | 353.2 |
Согласно полученным данным наиболее существенные перестройки в гидратной оболочке волокнистого сорбента происходят в области среднесвязанной воды. При обмене изученных катионов происходит уменьшение количества воды средней гидратации (Δх2), то есть воды расположенной вблизи противоионов и функциональных групп и участвующей в образовании связи между сорбентом и сорбатом. Ионные формы волокна по уменьшению количества выделившейся на второй стадии воды можно расположить в следующий ряд:
Существенную роль в энергетических характеристиках ионного обмена играет энергия Гиббса межфазного переноса воды ΔwG. Данная величина является аддитивной составляющей энергии Гиббса сорбции наряду с энергией полного ионного обмена катионов. Формы волокна по увеличению ΔwG можно расположить в следующий ряд:
Сравнение двух последовательностей изменения характеристик гидратации с наиболее вероятным рядом селективности изученных катионов показывает, что изменение количества воды средней гидратации симбатно селективности катионов к волокну ВИОН КН-1. Изменение гидратации, являясь энергетически выгодным процессом, лишь облегчает сорбционный процесс в целом.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, природа противоиона оказывает влияние на распределение кинетически неоднородной воды в ионных формах волокнистого сорбента, так для изученных ионов d- и p-металлов характерны большие различие в долях дальне-, средне- и ближнесвязанной воды, чем для ионов кальция и магния. При обмене изученных катионов металлов на карбоксильном волокне в натриевой форме наблюдаются значительные изменения в области среднесвязанной воды. Переход от натриевой к металлическим формам волокна ВИОН КН-1 сопровождается уменьшением энтальпии дегидратации и общего количества воды. Установлено, что изменение количества воды средней гидратации при переходе от рабочей формы сорбента к форме обмениваемых катионов совпадает с рядом их селективности к карбоксильному волокну ВИОН КН-1.
Работа выполнена в соответствие с Координационным планом секции “Адсорбционные явления” научного совета РАН по физической химии № 20-03-460-06.
Список литературы
Кокотов Ю.А., Пасечник В.А. Равновесие и кинетика ионного обмена. Л.: Химия, 1970. 336 с.
Риман В., Уолтон Г. Ионообменная хроматография в аналитической химии. М.: Мир, 1973. 375 с.
Okada T., Harada M. // Analytical Chemistry. 2004. V. 76. № 15. P. 4564.
Harada M., Okada T. // J. Chromatography A. 2005. V. 1085 . № 1. P. 3.
Harada M., Okada T. // Chemical Communications. 2008. V. 16. № 41. P. 5182.
Yuchi A., Kuroda S., Takagi M. et al. // Analytical chemistry. 2010. V. 82. № 20. P. 8611.
Yamanaka K., Kawakami M., Kameda Y. et al. // Bulletin of the Chemical Society of Japan. 2019. V. 92. № 8. P. 1341.
Бондарева Л.П., Астапов А.В., Селеменев В.Ф. и др. // Журн. физической химии. 2018. Т. 92. № 8. С. 1323.
Перегудов Ю.С., Бондарева Л.П., Астапов А.В. и др. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2020. Т. 63. Вып. 4. С. 42.
Soldatov V.S., Zelenkovskii V.M., Kosandrovich E.G. // Reactive and Functional Polymers. 2016. № 102. P. 147.
Треймион Б. Разделение на ионнобменных смолах / Пер. с франц. под ред. Чмутова К.В., Кремера Н.А. М.: Мир, 1967. 432 с. Trémillon B. Les separations par les resins échangeuses dʾinos. / Paris. Monographies de chimie minérale. 1965. 383 p.
Ion Exchange Technology I Theory and Materials / Ediors Luqman I.M., Springer Dordrecht Heidelberg New York London, 2012. 550 p.
Pehlivan E., Altun T. // J. Hazardous Materials. 2007. № 140. P. 299.
Зверев М.П. Хемосорбционные волокна. М: Химия, 1981. 192 с.
Полянский Н.Г., Горбунов Г.В., Полянская Н.Я. Методы исследования ионитов. М.: Химия, 1976. 280 с.
Котова Д.Л., Селеменев В.Ф. Термический анализ ионообменных материалов. М.: Наука. 2002. 157 с.
Селеменев В.Ф., Славинская Г.В., Хохлов В.Ю. Практикум по ионному обмену. Воронеж: ВГУ, 2004. 160 с.
Kobari D. The Japan Society for Analytical Chemistry. 2005. V. 54. № 7. P. 627.
Углянская В.А., Чикин Т.А., Селеменев В.Ф. Инфракрасная спектроскопия ионообменных материалов. Воронеж: Изд-во ВГУ, 1989. 208 с.
Астапов А.В., Перегудов Ю.С., Копылова В.Д., Кузнецова И.В. // Журн. физической химии. 2008. Т. 82. № 5. С. 960.
Астапов А.В., Перегудов Ю.С., Копылова В.Д., Попова К.А. // Журн. физической химии. 2010. Т. 84. № 3. С. 566.
Астапов А.В., Перегудов Ю.С., Копылова В.Д. // Журн. физической химии. 2011. Т. 85. № 7. С. 1359–1362.
Вода в дисперсных системах / Под ред. Дерягина Б.В., Чураева Н.В., Овчаренко Ф.Д. и др. М.: Химия, 1989. С. 31.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Физикохимия поверхности и защита материалов