Синтез и исследование сорбционных свойств гуанидинсодержащих полимерных нанокомпозитов (стр. 14 из 16)
| № п/п | Элемент | Концентрация металла, мг/л | ||
| До очистки | После очистки | Степень сорбции,% | ||
| Монтмориллонит + МАГ | ||||
| 1 | медь | 2,91 | 0,75 | 74,22 |
| 2 | свинец | 1,38 | 0,284 | 79,42 |
| 3 | кадмий | 1,84 | 0,309 | 83,20 |
| Монтмориллонит + АГ | ||||
| 1 | медь | 2,91 | 0,047 | 98,3 |
| 2 | свинец | 1,38 | 0,192 | 86,08 |
| 3 | кадмий | 1,84 | 0, 205 | 88,85 |
Как видно из таблицы, синтезированные гуанидинсодержащие композиты проявляют достаточно высокую сорбционную активность в отношении изученных металлов, причем у композита с полиакрилатом гуанидина наблюдается наиболее выраженная способность связываться с ионами металлов.
3.6 Исследование степени набухаемости, плотности и удельной поверхности монтмориллонита и композиционных материалов на его основе
Под набухаемостью понимают способность глинистых пород увеличивать объем в процессе взаимодействия с водой или водными растворами [110]. Процесс набухания сопровождается увеличением влажности, объема породы и возникновением давления набухания.
Процесс набухания проходит в две стадии: первая стадия — адсорбционное или внутрикристаллическое набухание, вторая — макроскопическое или «осмотическое» набухание. На первой стадии глинистая порода впитывает влагу за счет адсорбции молекул воды поверхностью глинистых частиц и межслоевыми промежутками кристаллической решетки глинистых минералов. Эта стадия практически не влияет на изменение объема породы. На второй стадии набухания поглощение влаги осуществляется с помощью осмотического давления. Оно возникает вблизи поверхности глинистых частиц за счет избыточной концентрации многочисленных обменных катионов отдиссоциированных (отошедших) с поверхности глинистых частиц в раствор. Основное увеличение объема набухающей глины происходит именно на этой макроскопической стадии.
Способность глин к набуханию характеризуется влажностью набухания (Wн) и давлением набухания (Pн). По величине давления набухания глинистые породы подразделяются на ненабухающие (Pн < 0,025 МПа); слабо набухающие (Pн = 0,025 – 0,1 МПа); средненабухающие (Pн = 0,1 – 0,25 МПа) и сильнонабухающие (Pн > 0,25 МПа) [131]. Величина и характер набухания глинистых пород определяются многими факторами, основными из которых являются минеральный состав, дисперсность и структура. Наибольшим набуханием обладают глинистые породы, в составе которых имеются глинистые минералы с подвижной кристаллической структурой (например, монтмориллонит), наименьшим — минералы с более жесткой кристаллической структурой (каолинит). Сильное влияние на набухание глин оказывает и их структура, при этом определяющее значение имеет характер структурных связей и тип контактов между минеральными частицами. Наибольшее набухание характерно для глинистых пород с переходными контактами, наименьшее — для глин с фазовыми контактами.
Глинистые породы, обладающие преимущественной ориентацией структурных элементов, характеризуются ярко выраженной анизотропией набухания. Наибольшее набухание отмечается в направлении, перпендикулярном ориентации частиц. В ходе процесса набухания происходит существенная перестройка исходной микроструктуры глинистой породы. Пористость набухших глин в конце процесса набухания может достигать 85-90%.
Результаты измерения плотности и степени набухаемости исходного и модифицированного монтмориллонита в воде приведены в таблице 3.6.1., 3.6.2.
Таблица 3.6.1.
Определение степени набухания композитов в воде
| № | Образец | Плотность, r, г/см3 | m1 сухого образца, г | m2 набухшего образца, г | Степень набухания F |
| 1 | Монтмориллонит Ca | 4,0574800 | 0,2 | 0,6 | 3,0 |
| 2 | Монтмориллонит Na | 1,5503832 | 0,2 | 1,2 | 6,0 |
| 3 | органоглина | 8,17143219 | 0,2 | 0,8 | 4,0 |
| 4 | ММТ+ АГ | 1,4522410 | 0,2 | 1,0 | 5,0 |
| 5 | ММТ + МАГ | 1,5631753 | 0,2 | 1,4 | 7,0 |
Таблица 3.6.2.
Определение степени набухания композитов в мочевине и фурациллине
| № | Образец | Плотность, r, г/см3 | Степень набухания F в мочевине | Степень набухания F в фурациллине |
| 1 | монтмориллонит Ca | 4,0574800 | 3,2 | 3,5 |
| 2 | Монтмориллонит Na | 1,5503832 | 7,0 | 18 |
| 3 | органоглина | 8,17143219 | 10 | 8,75 |
| 3 | ММТ+ АГ | 1,4522410 | 5 | 4,5 |
| 4 | ММТ + МАГ | 1,5631753 | 3,5 | 3,2 |
Как видно из полученных данных, синтезированные гуанидинсодержащие композиты проявляют достаточно высокую степень набухаемости в воде и в водных растворах органических веществ, причем в органических веществах и монтмориллонит и органомодифицированные глины характеризуются большей степенью набухаемости. Исходя из наличия в молекулах фурациллина и мочевины групп CO и NH можно ожидать их высокую способность к образованию водородных связей. По-видимому, эти органические соединения разрушают водородные связи между кристаллитами бентонита и внедряются между ними за счет образования новых связей.
Удельную поверхность и распределение частиц по размерам определяли с использованием лазерного анализатора частиц. Для композита на основе Ca-монтмориллонита и МАГ Sуд.=7,39´102 см2/г (диаметр частиц меньше 0,76), Na- монтмориллонита+МАГ Sуд.=9,62´102 см2/г, Na- монтмориллонита+АГ Sуд.=6,23´102 см2/г. Как видно, композиционные материалы имеют достаточно высокую удельную поверхность частиц, что подтверждает возможность их использования в качестве сорбентов.
Тем не менее, наиболее активный образец Na- монтмориллонит+АГ (табл. 3.6.1., 3.6.2.) имеет меньшую площадь удельной поверхности и большую долю крупных частиц, чем другие образцы. Такое отсутствие простой зависимости размера гранул от площади поверхности свидетельствует, видимо, о большей роли микроструктуры кристаллов, их поверхностной неоднородности. В работе [132] отмечается, что однозначная связь между размерами гранул, площадью поверхности и реакционной способностью образцов наблюдается лишь при их незначительной пористости. В случае же большого количества дефектов поверхность приобретает фрактальные свойства [133]. Так, расчет авторов работы [132] для некоторых, особенно дефектных, образцов биогенного карбоната кальция показал, что так называемая «реакционная площадь поверхности» составляет лишь 10—30% от величины, определенной методом БЭТ. Очевидно, композиционные материалы, полученные с использованием в качестве органомодификатора акрилата гуанидина, имеют более дефектную структуру и как следствие, в значительной степени обладает фрактальными свойствами.
Таким образом, исследование удельной поверхности и распределения частиц по размерам образцов разного состава, показало отсутствие простой зависимости размера гранул от площади поверхности, определенной лазерным анализатором частиц, что свидетельствует о значительной роли микроструктуры кристаллов и высокой пористости полученных нанокомпозитов
3.7 Биоцидные свойства гуанидинсодержащих полимерных композиционных материалов
Предварительные исследования бактерицидной активности синтезированных композиционных материалов, проведенные совместно с Бактериологической лабораторией ГСЭН КБР, показали, что они весьма активны и обладают биоцидным действием по отношению к некоторым микробиологическим загрязнителям воды, в частности к кишечной палочке.
Для определения числа колоний кишечной палочки производили посев исследуемой воды, обработанной гуанидиновыми композитами, на мясо-пептонную среду и выращивали колонии E.coli в течение 48 часов при 22ºС, после чего колонии пересчитывали.
Эффективность бактерицидного действия композитов определяли по количеству колониеобразующих единиц (КОЕ), рассчитывая их жизнеспособность по формуле
С = lg Nt /Ntk,
где Nt – количество бактерий, вышивших после обработки композитом,
Ntk- количество бактерий в контроле за один и тот же промежуток времени.
Выявлено, что синтезированные композиты характеризуются 70,0 (композит с МАГ) и 85,0 % (композит с АГ) бактерицидной активностью по отношению к кишечной палочке. Примечательно, что исходные мономеры и соответствующие гомополимеры проявляют по отношению к кишечной палочке недостаточно высокую биоцидную активность. Видимо, в данном случае вклад в биоцидный эффект вносит и монтмориллонит.
Рис. 3.7.1. Сравнительная биоцидная активность гуанидинсодержащих композиционных материалов по отношению к Е-coli
Таким образом, сочетание в полученных материалах высокой бактерицидной активности с повышенной способностью связываться с тяжелыми металлами и органическими поллютантами открывает возможности их использования в качестве эффективных сорбентов для очистки и обеззараживания воды.
ВЫВОДЫ
1. Радикальной полимеризацией в растворе с использованием в качестве мономеров акрилата и метакрилата гуанидина, органомодифицированного слоистого силиката в качестве наномерного наполнителя впервые синтезированы полимерные гуанидинсодержащие нанокомпозиты.
2. Совокупностью физико-химических методов исследования (ИК-спектроскопия, ренгеноструктурный анализ, дифференциальный термический анализ, лазерный анализатор частиц) изучены состав и структура синтезированных композитов.