Хімія та хімічні технології/ 5. Фундаментальні проблеми створення нових матеріалів і технологій

К.т.н. Хорошилова Т.І., к.т.н. Хромишев В.О., к.пед.н. Арестенко В.В., к.х.н. Кобріна Л.В., Філоненко Н.А.

Мелітопольський державний педагогічний університет імені Богдана Хмельницького

Інститут хімії високомолекулярних сполук НАН України

Супрамолекулярні системи на основі циклодекстринів і хітозану в якості адсорбентів

В основі нанотехнологій в хімії лежить супрамолекулярна хімія, яка вивчає умови створення та структуру функціональних міжмолекулярних комплексів. Останнім часом все більшу увагу приділяють використанню нековалентних взаємодій для створення нанорозмірних об’єктів, таких як молекулярні машини та молекулярні тригери [1].

Одним з перспективних молекулярних об’єктів для нанотехнологій є каліксарени – вазоподібні циклофани, молекули яких мають порожнину, утворену ароматичними ядрами, в яку можуть включатися геометрично і електронно комплементарні молекули та іони [1].

В інституті хімії високомолекулярних сполук НАН України під керівництвом Керчі Ю.Ю., Рябова С.В. [2] вивчаються супрамолекулярні металокомплексні системи на основі циклодекстринів, які, на відміну від синтетичних коліксаренів, одержують з природної речовини – крохмалю. Циклодекстрини – це циклічні олігомери, побудовані з a-1,4 зв’язаних залишків D-глюкопіранози. Найбільш поширеними представниками цього класу є циклодекстрини з 6, 7 і 8 фрагментами глюкози (відповідно a, b і g-циклодекстрини). Циклодекстрини, подібно коліксаренам, мають внутрішню гідрофобну порожнину, яка здатна утворювати комплекси включення з різними полярними і аполярними «гостями».

До нанорозмірних об’єктів відносяться також похідні хітозану, який одержують шляхом лужної обробки хітину, одного з найбільш поширених у природі полісахаридів. Керчею Ю.Ю., Рядовим М.В. і Кобилянським С.М. вивчено комплексоутворюючі властивості хітозану та його похідних [3,4].

Циклодекстрини і хітозан та їх похідні мають відмінні сорбційні властивості.

Мета нашої роботи – вилучення шкідливих домішок (фенол, барвники і пігменти) за допомогою циклодекстринів і хітозанів та їх похідних.

Для очищення питної води від фенолу використовували циклодекстринвмісні полімери на основі циклодекстринів і діізоціанатів, які показали задовільні сорбуючі властивості при вилученні фенолу з питної води [5].

В подальших дослідженнях нами було випробувано в якості сорбентів хітозан і його похідні з карбоксильними групами і з циклодекстрином [4,5] для очищення води від фенолу і деяких барвників класу антрахінонових та азобарвників.

Концентрацію фенолу і інших домішок вивчали за допомогою фотоелектроколориметра КФК-2, а оцінювання методики кількісного хімічного аналізу і розрахунки робочих характеристик за допомогою градуювальної шкали виконували згідно ДСТУ ISO 8466-1-2001.

Зразки забрудненої води обробляли сорбентами при t=20-70°С при перемішуванні і зміні рН середовища: оптимальними параметрами визначено t=25±5°С, рН=7, кількість обертів мішалки за хвилину – 50-60. Термін проведення процесу очищення води – від декількох хвилин в залежності від температури і рН середовища.

В якості забруднювачів були використані такі азопігменти: жиророзчинний оранжевий (Colour Index (С.І.) 12055), жиророзчинний коричневий, пігмент алий 2С (С.І. 12310), дисперсний бордо (С.І. 11215); всі випробувані барвники мають ауксохромні групи, такі як –NH₂ , –NO₂ , –Cl, –OH. Досліди показали, що колір води, забрудненої барвниками змінює відтінок, але не зникає, тобто хромофорна група –N=N– не руйнується при дії наших сорбентів, хоч порівняно зі стандартними сорбентами, такими як активоване вугілля, цеоліт – наші сорбенти більш активні, зміна кольору і обезбарвлення більш значне.

З антрахінонових пігментів нами випробувано: кислотний фіолетовий антрахіноновий (C.I. 60780); протравний оранжевий (C.I. 58015); хромовий зелений антрахіноновий (C.I. 45170); пурпурин (C.I. 58205); кислотний синій антрахіноновий (C. I. 63000), з хромофорними групами: –NH₂ , –SO₃H, –OH (в різних положеннях і угрупуваннях). Всі випробувані барвники антрахінонового ряду також втрачали яскравість і глибину кольору, але хромофорні групи не були зруйновані, на відміну від катіонних барвників, наприклад, родамін С, який має позитивний заряд на Нітрогені, повністю знебарвлюється при дії карбоксилвмісного хітозану; в цьому випадку руйнується вся хромофорно-ауксохромна система пігмента, завдяки взаємодії з ауксохромами –Cl, –СОOH і знаття заряду.

Вилучення фенолу з питної води проводили за допомогою полімерних циклодекстринів, хітозану, карбоксилвмісного хітозану і хітозану з фрагментами циклодекстрину: в цій послідовності знижувалась ємність сорбентів, тобто найбільш ефективний адсорбент по відношенню до фенолу в питній воді є полімерний циклодекстрин В-ЦД-ГМДА (1:8), який видаляє фенол з питної води до вмісту 0,0008 мг/л. Витрати циклодекстрину склали до 10 мг на кубічний метр води.

Таким чином, полімерні циклодекстрини, хітозан і його похідні вилучають з забрудненої води фенол і катіонні барвники.

Література:

1. Шиванюк О.М. Супрамолекулярна хімія функціональних каліксаренів. – К.: Наукова думка, 2007. – 210с.

2. Рябов С.В., Рудюк С.А., Войтенко З.В. Супрамолеклярные металлокомплексные системы на основе циклодекстринов// Полімерний журнал. – 2005. – Т. 27, № 2 – С. 67-76.

3. Кобилянський С.М. Хімічна модифікація, будова та комплексоутворюючі властивості хітозану та його похідних: Автореф. дис. на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук/ інститут хімії високомолекулярних сполук НАНУ. – Київ, 2007. – 22с.

4. Кобилянський С.М., Рябов С.В., Керча Ю.Ю. Синтез та дослідження комплексоутворюючих властивостей похідних хітозану з іонами Cu²⁺ та Hg²⁺// Вопросы химии и химтехнологии. – 2007. – Т. 73, № 1. – С. 58-66.

5. Рябов С.В., Кобріна Л.В., Гапоненко Т.М., Авраменко В.Л., Хорошилова Т.І. Нові полімерні адсорбенти для очищення води // Вісник національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут». Збірник наукових праць. – Харків: НТУ «ХПІ». – 2007. - № 32. – С. 3-7.