Водорастворимые комплексообразующие полимеры.
Е. А. Осипова

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Статьи Соросовского Образовательного журнала

http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/822.html


Водорастворимые полимеры благодаря удачному сочетанию физико-химических свойств высокомолекулярных соединений и электролитов завоевали прочное положение во многих областях науки и техники (медицине, сельском хозяйстве, строительстве, целлюлозно-бумажной и текстильной промышленности). К числу неоспоримых достоинств относится также то, что их применение не вызывает загрязнения окружающей среды и не связано с использованием токсичных, огне- и взрывоопасных растворителей [1, 2]. Наибольшей практической ценностью обладают водорастворимые полимеры с комплексообразующими группами, способные образовывать устойчивые хелатные комплексные соединения с ионами металлов. В последние годы установлено, что применение водорастворимых комплексообразующих полимеров перспективно в химическом анализе. Оформилось и успешно развивается новое направление их практического использования - метод удерживания ионов металлов в виде комплексов с полимерными реагентами при мембранной фильтрации, новый эффективный метод разделения и концентрирования ионов металлов (разделение - операция (процесс), в результате которой компоненты смеси отделяются друг от друга; концентрирование - операция (процесс), в результате которой повышается отношение концентрации (количества) микрокомпонента к концентрации (количеству) макрокомпонента [3]).

Использование водорастворимых комплексообразующих полимеров в сочетании с мембранной фильтрацией придает мембранным методам разделения особую привлекательность, так как позволяет достичь значительно более высокой эффективности и избирательности по сравнению с другими методами. Метод удерживания полимерными реагентами при мембранной фильтрации основан на том, что полимерные реагенты образуют с ионами металлов устойчивые, растворимые в воде высокомолекулярные комплексы, которые отделяются от низкомолекулярных веществ с помощью фильтрации с использованием химически инертных твердых мембран. Комплексы металлов с полимерными реагентами удерживаются в водном растворе над мембраной, в то время как не связанные в комплексы неорганические ионы удаляются вместе с фильтратом [5]. Исходный раствор, содержащий определяемые и посторонние ионы, поступает в фильтрационную ячейку, в которой находится полимерный реагент. Полимерный реагент образует хелатные комплексы с определяемыми ионами, и они удерживаются на мембране, а мешающие ионы проходят через поры мембраны и поступают в сборник фильтрата. В более общем виде схему процесса можно представить следующим образом: для осуществления процесса концентрирования в небольшую по объему ячейку с мембранным фильтром вводят раствор полимера (с концентрацией 1-4 мас. %) и через нее прокачивают большой объем анализируемого раствора из резервуара. Поскольку мешающие дальнейшему определению компоненты пробы частично остаются в ячейке по окончании фильтрации, даже если они не взаимодействуют с полимерным реагентом, и могут затруднять проведение анализа, фильтрационную ячейку затем промывают водой. При этом достигается как абсолютное концентрирование (то же количество иона металла переходит в меньший объем, то есть концентрация его повышается), так и относительное концентрирование связываемых реагентом ионов (увеличивается соотношение между микрокомпонентами и главными мешающими макрокомпонентами). В случае разделения элементов, содержащихся в пробе малого объема, ее сразу вводят в содержащую полимер ячейку и промывают раствором с такой кислотностью, при которой одни ионы удерживаются, а другие вымываются.

В представленном методе мембранного разделения и концентрирования могут быть использованы полимерные реагенты, удовлетворяющие следующим требованиям: значительная степень гидрофильности структурных повторяющихся звеньев, которая обеспечивает растворимость в воде полимерных комплексов, большое число комплексообразующих функциональных групп в молекуле полимера, сравнительно высокая молекулярная масса, обеспечивающая легкость отделения макромолекул от не связанных с полимером ионов металлов. Наиболее предпочтительны для этих целей полимеры с молекулярной массой от 10 000 до 40 000. Полимеры с молекулярной массой меньше 10 000 использовать нельзя, так как они проходят через мембрану.

Комплексы водорастворимых полимерных реагентов с ионами тяжелых и переходных металлов представляют собой хелаты. Устойчивость комплексов и характер связи между ионом металла и макромолекулой определяются многими факторами: строением полимерной цепи, природой боковых функциональных групп, длиной макромолекулы, величиной рН раствора, степенью окисления и размерами иона металла, температурой, концентрацией низкомолекулярного электролита. Например, ионы многих металлов образуют наиболее устойчивые комплексы с полимерами, содержащими в составе функциональной группы атомы азота и серы (полиэтиленимином, его производным с тиомочевинной группировкой). Комплексы с полимерами, содержащими карбоксильные группы, занимают по устойчивости среднее положение (полиакриловая кислота), а комплексы с полимерами с гидроксильными функциональными группами (поливиниловый спирт) обладают наименьшей устойчивостью. Наиболее прочны, как правило, комплексы с ионами Cu(II). Для большинства полимеров (например, поли-N-винилпирролидона, полиэтиленимина) реализуется следующий ряд устойчивости комплексов: Cu(II) > Ni(II) > Zn(II) > Co(II) > Pb(II) > Mn(II). Величины логарифмов констант устойчивости (lg b) комплексов Cu(II) и Ni(II) с полиэтиленимином равны 16,6 и 15,8 соответственно (мерой прочности связывания иона металла М полимерным реагентом L является константа устойчивости комплекса - b-константа равновесия реакции образования комплекса ML: M + L = ML, ). Для полиакриловой кислоты ряд устойчивости комплексов металлов почти противоположен: Pb(II) > Cu(II) > > Cd(II) > Zn(II) > Co(II) > Ni(II). Величины логарифмов констант устойчивости (lg b) комплексов Pb(II) и Cu(II) с полиакриловой кислотой равны 9,0 и 7,8 соответственно.

Наибольшей устойчивостью комплексы тяжелых и переходных металлов с полимерными реагентами обладают в слабокислых и слабощелочных средах (рН 5-8), так как в сильнокислых растворах донорные атомы полимеров протонируются, а в сильнощелочных растворах ионы металлов склонны к образованию гидроксокомплексов и гидроксидов. Введение небольшого количества низкомолекулярного электролита способствует разворачиванию макромолекулярного клубка и повышению устойчивости полимерных комплексов. При увеличении температуры раствора устойчивость комплексов падает.

Водорастворимые комплексообразующие полимеры широко используются в разных областях техники. Полиэтиленимин и его производные применяются в некоторых технологических процессах в качестве вспомогательных веществ, улучшающих свойства различных материалов, например: для увеличения прочности и улучшения качества бумаги, для повышения механической прочности композиционных материалов, в сельском хозяйстве как структурообразователи почв, в процессах очистки природных и промышленных сточных вод как флокулянты, обеспечивающие быструю коагуляцию и осаждение взвешенных частиц.

Наибольшую известность водорастворимые комплексообразующие полимеры получили в связи с возможностью осуществлять с их помощью эффективную очистку природных и сточных вод от ионов токсичных элементов, что крайне важно для решения проблемы охраны окружающей среды, рационального использования и защиты природных водоемов от загрязнения вредными для здоровья человека веществами. Полимеры данного типа образуют прочные комплексы с наиболее стойкими химическими загрязнителями вод, к которым относятся ионы Cd(II), Hg(II), Pb(II), Cu(II), Zn(II), Ni(II), благодаря чему становятся возможными их улавливание и извлечение из водных сред. Именно поэтому комплексообразующие полимеры традиционно включают в состав синтетических ионообменных материалов (ионитов), применяемых для очистки природных и сточных вод. Иониты представляют собой порошкообразные, гранулированные, волокнистые или твердые вещества, содержащие функциональные группы, способные к обмену ионами с растворами электролитов. Процесс ионного обмена схематично можно представить следующим образом: R-H + M+ R-M + H+ ; R-H - катионнообменик, то есть полимерный ионит, содержащий ионы водорода, способные обмениваться на катионы металла из раствора. С помощью ионитов проводится глубокая очистка сточных вод от токсичных и вредных примесей, селективная очистка от растворенных примесей при повторном использовании сточных вод для нужд промышленности.

Значительного прогресса в технологии очистки природных и сточных вод можно достичь с привлечением метода удерживания полимерными реагентами при мембранной фильтрации. Представленные данные свидетельствуют о том, что в этом случае возможно успешное решение сразу нескольких задач: 1) удаление ионов тяжелых и токсичных металлов из вод с использованием полиэтиленимина или поли-N-винилпирролидона и их производных с группами тиомочевины (с помощью полиэтиленимина можно полностью очистить воды также от ионов ); 2) концентрирование и извлечение микроэлементов из природных и сточных вод, при этом можно осуществлять их селективное разделение; особую важность решение этой задачи приобретает в случае радиоактивных элементов, например, ионы удается выделить из сточных вод предприятий атомной промышленности с использованием производного полиэтиленимина с иминодиацетатными группами, ионы Th(IV) и Pu(IV) - с использованием полиакриловой кислоты; 3) концентрирование и извлечение из природных и сточных вод ионов ценных металлов, например, ионов Au(III) из речной воды или ионов Pd(II) из сточных вод с помощью производных соответственно полиэтиленимина или полиакриловой кислоты с тиомочевинными группами, выделение ионов Pt(IV) и Pd(II) из вод с использованием полиэтиленимина.

Приведенные примеры дают представление о наиболее перспективных направлениях и возможностях практического применения водорастворимых комплексообразующих полимеров в технике и технологии.


ЛИТЕРАТУРА

1. Гембицкий П.А., Жук Д.С., Каргин В.А. Полиэтиленимин. М.: Наука, 1974. 204 с.

2. Куренков В.Ф. Полиакриламидные флокулянты // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. № 5. С. 48-53.

3. Кузьмин Н.М., Золотов Ю.А. Концентрирование следов элементов. М.: Наука, 1988. 268 с.

4. Москвин Л.Н., Царицына Л.Г. Методы разделения и концентрирования в аналитической химии. Л.: Химия, 1991. 220 с.

5. Спиваков Б.Я. // Рос. хим. журн. 1994. Т. 38, № 1. С. 7-12.

6. Брайнина Х.З., Нейман Е.Я., Слепушкин В.В. Инверсионные электроаналитические методы. М.: Химия, 1988. 240 с.

7. Осипова Е.А., Каменев А.И., Сладков В.Е., Шкинев В.М. // Журн. анал. химии. 1997. Т. 52, № 3. С. 273-279.