Потребление водных ресурсов возрастает с каждым днем, но их качество
не всегда соответствует нормативным требованиям. В связи с этим возникает потребность в
очистке как природных вод, которые используются для нужд различных предприятий, так и
сточных вод, сбрасываемых в водоемы. Для этого существуют различные методы, выбор которых
обусловливается характером и степенью загрязнения сточных вод, санитарно-гигиенически-ми,
технологическими и экономическими требованиями, спецификой производства.
Существует ряд методов позволяющих уменьшить содержание взвешенных частиц и
коллоидно-дисперсных примесей в сточных водах. К ним относится коагуляция и флокуляция.
В качестве коагулянтов используются соли, образованные слабым основанием и сильной
кислотой, наиболее эффективными из которых являются соли алюминия (Al2(SO4)3*18H2O,
NaAlO2 и др.) и железа (Fe2(SO4)3, FeCl3).
Флокулянтами являются высокомолекулярные соединения органической и неорганической
природы. Однако все они должны быть растворимы в воде. В тоже время подавляющее большинство
существующих органических полимеров в воде не растворимы. Поэтому поиск новых
водорастворимых полимеров, которые возможно было бы использовать в качестве флокулянтов
является актуальной задачей.
Целью данной работы являлся синтез сополимеров на основе стирола и малеинового
ангидрида, определение характеристик полученного полимера, а также перевод его в
растворимое состояние.
Сополимеризация стирола (СТ) и малеинового ангидрида (МА) протекает по
свободно-радикальному механизму. При полимеризации в блоке для этих мономеров наблюдается
гель-эффект. Поэтому для получения продукта с однородным молекулярно-массовым
распределением полимеризация проводилась в растворе. В качестве растворителя использовался
диоксан. Исходное соотношение мономеров (моль%) СТ:МА - 1:1, концентрация мономеров в
растворе 20% (мас). В качестве инициатора использовался азоизобутиронитрил (АИБН) с
концентрацией в растворе 0,8% (мас).
Синтез и исследование полученного продукта проводился в ИнФОУ НАН Украины, в отделе
радикальных процессов.
Синтез протекает следующим образом: к раствору малеинового ангидрида в диоксане
прибавляют стирол и всю смесь продувают инертным газом – азотом для удаления из систе-мы
кислорода. В небольшом количестве диоксана растворяли порошкообразный инициатор, который
по каплям в течение часа добавляли к раствору в колбе при непрерывном перемешевании.
Синтез проводится в термостате при постоянной температуре 80° С в колбе с механическим
перемешивающим устройством. После окончания загрузки инициатора процесс продолжали еще 2
часа.
Для выделения полученного полимера из раствора проводили его осаждение в этаноле.
Сушка полимера проводилась в вакуумном эксикаторе при остаточном давлении
20 мм рт.ст. до постоянной массы.
Исходя из массы загруженной мономерной смеси и количества образовавшегося полимера,
нами определена степень конверсии, которая составила 32%.
Молярную массу полученного сополимера определяли методом вискозиметрии с использованием
вискозиметра Уббелоде. Опыт проводился при температуре 30° С, в качестве растворителя
использовался ацетон. На основании проведенных исследований была получена характеристическая
вязкость полимера [n], которая составила 0,213. Расчет молекулярной массы Мn проводился по
известной формуле Марка-Куна-Хаувинка:
[n] = К * 10-5 * Мna,
где К и a – константы, которые для сополимера СТ-МА в растворителя ацетоне и
температуре 30° С равны 8,69 и 0,74.
Рассчитанная по предложенному уравнению молярная масса составила 38018.
Для определения состава сополимера применялось потенциометрическое титрование.
Титрование проводится на иономере универсальном ЭВ – 74, в присутствие стеклянного и
хлоридкалиевого электродов. Навеску стиромаля растворяли в дистиллированной воде, а затем
полученный раствор титровали 0,1 н раствором NaOH. Результаты опыта показали, что в
синтезированном соединении МА содержится 35,7% (мас).
При растворении сополимера в воде малеиновый ангидрид, который содержиться в
макромолекулярной цепи переходит в малеиновую кислоту.
Подтверждением представленного механизма реакции является довольно резкое уменьшение
рН среды. Для получения водоростворимой формы процесс растворения исходного полимера
проводили в щелочи NaOH с концентрацией 0,16%.
Таким образом, нами получен сополимер СТ-МА с концентрацией в растворе 4,5 г/дм3.
Наличие групп СОО- позволяет предположить, что такой флокулянт можно
отнести к анионному типу.
Эффективность работы флокулянта зависит от природы частиц твердой фазы, от растворенных
в исследуемой воде примесей, от количества дозы флокулянта и его молеку-лярной массы, от pH
и температуры воды, от последовательности введения коагулянта и флокулянта в очищаемую
воду. Оптимальный подбор дозы и условий является довольно сложной проблемой.
Нами проведены предварительные опыты по определению флокулирующей способности
полученного полимера.
Для замутнения воды использовался каолин - в 5 дм,3 исходной воды растворили
1 г каолина; цветность создавалась путем добавления в воду дихромат-кобальтового раствора
(по 20 см3 на 1 дм3). Исследуемая вода имела следующие характеристики:
исходная мутность составляла 3294 мг/дм3, цветность - 110 градусов цветности.
Мутность и цветность воды определялись фотоэлектро-колориметрическим методом.
В ходе исследование наблюдалось снижение оптической плотности растворов. Однако было
обнаружено, что конечная мутность не зависит от дозы флокулянта и составляет
2645 ± 200 мг/дм3 при увеличении дозы полимера до 15,0 см3 на
1 дм3 исходной воды.
Неожиданным является также обнаруженный эффект увеличения цветности растворов, которое
носит сложный характер, но в целом наблюдается тенденция увеличения цветности от 110
градусов цветности до 115 при дозе флокулянта 12,5 см3/дм3 исходной
воды. Вероятно, это может свидетельствовать о протекании сложных процессов взаимодействия
между полимером (кислотными группами) и соединениями, которые использовались для создания
систем модельной цветности (ионы кобальта). Однако это требует дальнейших п
одтверждений.