Гайнулина МР Сополимеры на основе малеинового ангидрида в качестве флокулянта

ПОЛУЧЕНИЕ СОПОЛИМЕРОВ МАЛЕИНОВОГО АНГИДРИДА И СТИРОЛА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИХ В КАЧЕСТВЕ ФЛОКУЛЯНТА

М.Р.Гайнулина, А.В.Булавин, Т.Г.Тюрина/V Международная научная конференция студентов и аспирантов «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов». Т.1 – Донецк: ДонНТУ, ДонНУ, 2006.

Снижение качества и возрастающие объемы потребления воды со все большей остротой ставят проблему её очистки от загрязнений, и в частности, от взвешенных и коллоидно-дисперсных частиц. Эффективность осаждения дисперсий может быть значительно увеличена с помощью флокулянтов, при этом одновременно снижаются: цветность, запахи, привкусы и микробная загрязненность воды. Кроме того флокулянты позволяют: улучшить качество воды при минимизации времени отстаивания; достигать запланированной производительности при меньших расходах; увеличивать производительность без капитальных затрат; повысить эффективность системы фильтрации и увеличить срок службы фильтров.

Флокулянтами являются растворимые полимеры, в том, числе полиэлектролиты. В зависимости от состава полярных групп их можно разделить на:

- неионогенные — полимеры, содержащие неионогенные группы: —ОН, >СО (крахмал, оксиэтилцеллюлоза, поливиниловый спирт, полиакрилонитрил и др.);

- анионные — полимеры, содержащие анионные группы: — СООН, — S0₃Н, —0S0₃Н (активная кремниевая кислота, полиакрилат натрия, альгинат натрия, лигносульфонаты и др.);

- катионные — полимеры, содержащие катионные группы: —NН₂, =NН (полиэтиленимин, сополимеры винилпиридина, ВА-2, ВА-102, ВА-212 и др.);

- амфотерные — полимеры, содержащие одновременно анионные и катионные группы: полиакриламид, белки и др.

Наиболее эффективны синтетические полиэлектролиты с высокой степенью полимеризации и большой молекулярной массой, имеющие линейную структуру макромолекулы. К недостаткам метода можно отнеси отсутствие универсального флокулянта для выделения широкого спектра загрязняющих веществ, а также выбор определенных условий для оптимальной работы – температуры, рН, концентрации и др. Поэтому в настоящее время активно ведутся работы по поиску и синтезу новых высокоэффективных флокулянтов.

К мономерам, на основе которых возможно получение водорастворимых полимеров, можно отнести малеиновый ангидрид, который является достаточно доступным продуктом, образующимся при протекании побочных реакций на установках окисления нафталина или о-ксилола, например, в условиях ВАТ «Авдеевский коксохимический завод». Известно, что малеиновый ангидрид не образует гомополимеров при обычных условиях, однако сополимеры на его основе находят широкое применение в народном хозяйстве.

Ранее показано, что протекание реакции сополимеризации малеинового ангидрида со стиролом носит комплексно-радикальный характер и при определенных условиях возможно получение чередующегося сополимера, при этом элементарное звено для такого соединения будет иметь следующий вид:

Целью данной работы было определение условий получения сополимеров на основе малеинового ангидрида и попытка использования их в качестве флокулянта. Поскольку одной из наиболее важных характеристик флокулянтов является молекулярная масса, то нами, прежде всего, были изучены условия получения сополимеров с различной существенно отличающейся степенью полимеризации. В качестве исходных веществ были использованы: стирол - свежеперегнанный в вакууме (20-30 мм рт. ст.); малеиновый ангидрид - перекристаллизованный из бензола для отделения примеси малеиновой кислоты. В качестве инициатора радикалой полимеризации исользовался АИБН, дважды перекристаллизованный из этилового спирта.

Общая процедура сополимеризации состоит в следующем: к раствору малеинового ангидрида в диоксане (80 % от общего количества) добавляют стирол и продувают инертным газом. К раствору мономеров при 80⁰С и перемешивании в течение часа добавляют раствор инициатора. Оставшийся растворитель используют на промывку мерных емкостей и дозатора и также вводят в реакционную смесь. Продолжают перемешивание при 80⁰С в течение еще 2 часов. Процесс проводили в инертном растворителе (бензоле).

Предварительно нами был проведен подбор концентрации мономеров в реакционной смеси. При содержании 2 моль/л каждого из мономеров вязкость полимеризационной массы быстро нарастала, что затрудняло перемешивание и отвод тепла. Продукт, выделенный через 1 час, имел конверсию 64 %(мас) и молекулярную массу 130 тыс. Разбавление реакционной смеси растворителем по ходу полимеризации привело к выбору в качестве базовой концентрации 1 моль/л по каждому из мономеров и концентрации инициатора 2 %(мас) относительно массы мономеров. Были получены продукты с достаточно высокой молекулярной массой (не менее 60 тыс.) при конверсии 97-99 %(мас).

Серия опытов была проведена также с применением регуляторов роста цепи - хлористого аммония. Введение добавки NН₄С1 проводили в количестве от 0,02 до 0,5 %(мас) относительно массы мономеров. Определение средневязкостной молекулярной массы образцов сополимеров, полученных с различным количеством соли, показало, что вначале с увеличением ее концентрации молекулярная масса сополимера снижается до 17-20 тыс., а затем возрастает до 40-45 тыс. Оптимальное количество NН₄С1 составляет 0,1 %(мас).

Синтезированный сополимер не растворим в воде, поэтому он был переведен в солевую форму добавлением эквивалентного количества NaOH. Наличие активных групп — COO^-позволяет отнести этот сополимер к числу анионных. Тогда, при введении в очищаемую воду флокулянта необходимо предварительное использование коагулянта. В нашем случае это широко используемый сульфат алюминия.

Для создания мутности и цветности модельной загрязненной системы в водопроводную воду добавляли белую глину и хромат калия. При этом исходная мутность в различных опытах составляла 850-1100 мг/дм³, а цветность 60-150 град. Подбор дозы коагулянта проводился на основаниии СНиП 02.04.01-84 исходя из цветности и содержания взвешенных частиц в исходной воде. Дозу флокулянта варьировали в пределах от 0,0625 до 12,5 мг/дм³. После введения в воду реагентов наблюдали за протеканием процесса флокуляции, при этом в осадок выпадали белые хлопья. После чего фотоколориметрически определяли показатели качества воды. В предварительных опытах показано, что при минимальных значениях дозы флокулянта наблюдается незначительное улучшение качества воды, что позволяет предположить о перспективности использования полученных сополимеров малеинового ангидрида и стирола в качестве флокулянтов.