ИСТИНА

Повышенное содержание токсичных органических и неорганических соединений в природных водах, используемых в системах водоснабжения городов и рыбно-хозяйственных предприятий, является экологической проблемой большинства промышленно-развитых регионов. Одним из способов повышения качества очистки воды является разработка и внедрение новых сорбционных материалов, обладающих высокой эффективностью, надежностью и простотой в эксплуатации, а также устойчивостью к внешним воздействиям. Для выполнения этой задачи в данном исследовании были разработаны композиционные сорбенты на основе пористых полимерных матриц с импрегнированными частицами неорганической фазы. Использование таких гибридных сорбентов позволяет решать задачу комплексной очистки водных сред, от органических загрязнителей, сорбируемых пористым полимером и неорганических токсичных соединений, например ионов тяжелых металлов, сорбируемых активной неорганической фазой композита. В качестве полимерной матрицы использовались сверхсшитые полистирольные сорбенты, выпускаемые в промышленном масштабе и хорошо известные как наиболее эффективные сорбенты для извлечения органических соединений различных классов. В качестве неорганической фазы были выбраны оксидные соединения железа, используемые для удаления из воды токсичных металлов в ионной форме. Подробные исследования структуры и сорбционных свойств разработанных композитных материалов позволили установить перспективность такого технологического подхода к получению эффективных сорбентов для использования в системах водоподготовки и практической медицине. Для композитов на основе сверхсшитых полистиролов преимуществом по сравнению с используемыми в технологии водоподготовки сорбентами и ионитами является их исключительно высокая сорбционная активность по отношению ко всей гамме токсичных органических веществ (пестицидов, углеводородов и т.д.), загрязняющих природные воды. Перспективность разработанных композиционных материалов заключается в возможности комплексной очистки вод с максимальным удалением как токсичных органических, так и вредных неорганических соединений, в первую очередь ионов тяжелых металлов. Такие композитные сорбенты могут быть рекомендованы к применению и в коллективных системах водоподготовки, и в системах водоочистки индивидуального пользования. Основные выводы по диссертационной работе: 1. Установлены оптимальные условия получения композитных сорбентов на основе гранулированных пористых полистирольных матриц с включениями нанодисперсных оксидов железа (магнетита и оксигидроксидов). 2. Получено несколько групп композитных сорбентов с магнитными оксидами железа и оксигидроксидами железа импрегнированными в макропористые аниониты стирол-дивинилбензольных сополимеров, либо в сверхсшитые полистирольные сорбенты различного типа: микропористые, бипористые и карбоксилсодержащие. 3. Определены основные физические характеристики полученных композитных сорбентов: плотность, внутренняя удельная поверхность, объем пор, массовое содержание железа. Установлено, что при введении магнитных оксидов железа (~ 6 об. %) в пористую структуру определенных сверхсшитых сорбентов на 10-13 % увеличивается суммарная внутренняя удельная поверхность, а при введении оксигидроксидов железа (до 11-12 об. %) поверхность увеличивается на 7- 24 %. 4. Проведены структурные исследования неорганической фазы в композитах методами термического анализа, просвечивающей электронной микроскопии, рентгенофазового анализа. Установлено, что в сверхсшитых полимерных матрицах различного типа оксиды железа сформированы в виде нанодисперной фазы, структурные элементы которой представлены микрочастицами радиусом от 3.4 до 10.0 нм для магнитных оксидов железа и 0.6 нм для оксигидроксидов железа. Наличие в порах магнитных композитных сорбентов нанокристаллической фазы магнетита Fe3O4 было установлено методом рентгенофазового анализа. 5. Композитные сорбенты с магнитным наполнителем обладают хорошими магнитными свойствами, показана возможность их использования для удаления токсичных веществ из суспензий с применением метода магнитной сепарации. Максимальное значение удельной намагниченности достигает 14.9 Гс•см3/г при содержании оксидов железа в композите 32.1 масс. %. 6. Установлено, что все исследуемые композиты обладают хорошей сорбционной способностью по отношению к органическим соединениям различных классов, различной полярности и различных по термодинамической совместимости с полимерной матрицей. Так например, композиты поглощают пары токсичных растворителей диоксана, толуола, дихлорэтана в количестве до 0.73, 0.7, 1.0 г/см3 соответственно. Введение нанодисперсных оксидов железа в матрицу пористых полимеров привело к небольшому снижению сорбционной емкости сорбентов, не более чем на 22%. 7. Композиты, также как и исходные полимеры, способны поглощать широкий спектр органических соединений из низко концентрированых водных растворов. При этом, в результате ввода оксидов железа в поры полимера, увеличивается на 9-22 % сорбционная емкость по фенолу. При исследовании сорбции из воды пестицида - 2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота (2,4-Д) в динамических условиях установлено, что композитный сорбент очищает в 10 раз больший объем раствора, чем исходный сорбент. 8. Исследована сорбция фосфат-анионов из разбавленных водных растворов в статических и динамических условиях композитными сорбентами на основе промышленных полистирольных сорбентов. Для статических условий сорбции установлено, что сорбционная емкость композитов по отношению к фосфат-ионам значительно увеличилась в 2-4 раза по сравнению с исходными сорбентами. Для сорбции в динамических условиях установлено, что при высокой скорости потока 90 об/ч композиты на основе макропористого сильноосновного анионита проявляет хорошую способность к поглощению фосфат-анионов, очищая 530 колоночных объемов до уровня ПДК из раствора в водопроводной воде. Показано, что полученные композитные сорбенты, можно легко регенерировать после процесса сорбции фосфат-ионов из разбавленных водных растворов и использовать повторно. 9. Перспективность использования полученных композитов в качестве гемосорбентов для лечения гиперфосфатемии (повышенного содержания фосфатов в крови) оценивалась по данным сорбции в динамических условиях фосфат-ионов из изотонического натрий-фосфатного буферного раствора с концентрацией [НPO4]2- 1142.2 мг/л (pH 7.4), имитирующего физиологические жидкости по своему ионному составу. Установлено, что наиболее эффективно работают сорбционные колонки с композитами на основе сверхсшитых полистиролов MN202 и MN100 ("Purolite"). Используя эти композиты в системах гемосорбции можно в два раза уменьшать концентрацию фосфат-ионов, пропуская через них до 7 колоночных объемов очищаемой физиологической жидкости. 10. При изучении сорбции в динамических условиях арсенат-анионов из низко концентрированных водных растворов, установлено, что композит на основе сверхсшитого полистирола MN-100 хорошо поглощает это высокотоксичное соединение при невысокой скорости фильтрации до 9 колоночных объемов раствора в час. 11. Проведены исследования сорбции катионов ряда металлов: меди, цинка, алюминия, железа, марганца, кобальта, никеля, кадмия, свинца из разбавленных водных растворов в статических и динамических условиях. Установлено многократное увеличение величины сорбции ионов металлов на композитах по сравнению с исходным полимером. Например для фазы оксидов в композите на основе сорбента MN600 сорбция ионов меди, свинца, кадмия, алюминия составила 3.9, 1.6, 3.0 и 1.5 мг-экв/см3 соответственно, что сопоставимо с емкостью известных полимерных ионитов. 12. Проведены исследования сорбции в динамических условиях смесей двухвалентных ионов металлов Cd2+, Co2+, Cu2+, Ni2+, Pb2+ и Zn2+ в концентрациях 40 мкг-экв/л на фоне стократного избытка ионов Ca2+. Установлено, что композит на основе сверхсшитого сорбента MN100 обеспечивает 100 % извлечение всех катионов металлов из 400 колоночных объемов раствора. При этом сорбент проявляет повышенную селективность к ионам Cu2+ и Pb2+, обеспечивая их полное извлечение из 1600 колоночных объемов раствора.