Спосіб підвищення ступеня набухання та сорбційної здатності глинополімерних композитів

Реферат: Спосіб підвищення ступеня набухання та сорбційної здатності глинополімерних композитів включає синтез глинополімерних композитів. Після синтезу композит підсушують, проводять процедуру набухання до постійної маси і знову підсушують. Підсушування проводять до вологості, яка визначається експериментально і обумовлена компонентним складом композиту, умовами його синтезу та вимогами до властивостей композиту необхідних для його застосування. UA 116082 U (54) СПОСІБ ПІДВИЩЕННЯ СТУПЕНЯ НАБУХАННЯ ТА СОРБЦІЙНОЇ ЗДАТНОСТІ ГЛИНОПОЛІМЕРНИХ КОМПОЗИТІВ UA 116082 U UA 116082 U 5 10 15 20 Корисна модель належить до хімії полімерів та прикладної мінералогії і може бути застосований при створенні гідроізолюючих екранів, вилученні води з водомасляних сумішей, дезактивації води та водних розчинів солей, підвищені водоємності ґрунтів і т.д Відомо, що глинополімерні композити являють собою об'ємні сітки з полімерних ланцюжків, між якими розміщуються глинисті частинки (агрегати). Отримують глинополімерні композити або шляхом змішування водних розчинів полімерів з водними глинистими суспензіями (КАВЕЛАСТ, НАТЛЕН та ін.), або шляхом розподілу у глинистих суспензіях молекул мономерів з їх наступною полімеризацією. У першому випадку глинополімерні композити водорозчинні, що звужує напрямки їх практичного застосування. Отримані другим способом глинополімерні композити є водостійкими, мають здатність до набухання у воді та водних розчинах солей, сорбують з розчинів важкі метали та радіонукліди. Це відносно нові матеріали, напрямки практичного застосування яких поступово розширюються (закріплення ґрунтів (США), гідроізоляція станції метрополітену (Білорусь) і т.д.) Відомо, що при контакті з рідиною, молекули рідини під дією осмотичних сил потрапляють у внутрішній простір композитів, внаслідок чого останні збільшують свій об'єм та масу (набухають). Ступінь набухання відповідно по масі оцінюється: m  mпоч. , m  наб. mпоч. де mпоч. - початкова маса зразка; mнаб. - маса зразка після набухання. Якщо, рідина містить важкі метали та радіонукліди, то вони потрапляючи у композит сорбуються глинистими частинками. Сорбційна здатність композита визначається за коефіцієнтом розподілу ( Kd ): V A поч  A рів н , Kd   m A рів н де A поч - початкова активність розчину, Бк/мл; Aрів н - активність розчину після проведення 25 30 35 40 45 50 55 сорбції, Бк/мл; V - об'єм розчину, мл; m - маса композиту, г. Збільшення показників набухання та сорбції композитів є актуальним з точки зору розширення сфери їх практичного застосування, але при цьому необхідно враховувати, що при значній ступені набухання, яке може досягатися зменшенням зшивок між полімерними ланцюжками, глинополімерні композити втрачають міцність і їх використання стає проблематичним. Якщо надалі, змінюючи хімічний склад, зменшувати кількість зшивачів (найчастіше молекул Ν,Ν' метиленбісакриламіду) то поступово глинополімерні композити втрачають водостійкість, їх поверхня стає липкою і вони починають бути малопридатними для використання у якості сорбентів. Підвищити ступінь набухання можливо завдяки зміні співвідношення між кількістю мінеральної компоненти (глини) та полімеру (найчастіше поліакрилату) у композиті. При зменшенні кількості мінеральної компоненти набухання збільшується, але зменшується сорбційна властивість, обумовлена глинистими частинками. Відомо, що при введенні мономерів у глинисту суспензію вони частково сорбуються на поверхні глинистих частинок. У відповідних умовах мономери починають поєднуватися у полімерні ланцюжки, які з часом утворюють навкруги глинистих частинок об'ємну полімерну сітку. Велике значення при цьому набувають особливості будови поверхонь глинистих частинок: форма частинок, заряд поверхонь, дисперсність, розподіл і кількість активних центрів на поверхні частинок і т.д. Полімерізація починається поблизу активних центрів глинистих частинок і поступово розповсюджується по всьому об'єму. При цьому полімерні ланцюжки частково блокують активні центри на поверхні глинистих частинок. Крім того, якщо у початковий момент синтезу полімерізація практично не має обмежень, то надалі виникають просторові обмеження, які деформують ланцюжки так як останні вимушені утворюватися у все більш ускладнених умовах. Якщо після синтезу і часткового підсушування дати композитам можливість контакту з водою, то ланцюжки полімеру будуть змінювати конформацію і утворювати енергетично вигідну просторову сітку. Частина полімерних ланцюжків відокремиться від активних центрів, деблокуючи останні. Із зразків у рідину (воду) перейдуть мономери, що не брали участі у полімерізації. При повторному підсушуванні внаслідок зменшення об'єму зразка полімерні ланцюжки зближуються і набувають здатності при наступному набуханні значно збільшувати ступінь набухання. Одночасно збільшується сорбція композитами радіонуклідів та важких металів. Така ситуація зберігається протягом 34 циклів набухання - підсушування. 1 UA 116082 U 5 10 Величина підвищення ступеня набухання та сорбційної здатності залежить від складу композиту, умов полімерізації, ступені попереднього набухання та вологості підсушених зразків. Ці показники визначаються та підбираються експериментально для конкретного випадку. Вибраний склад композиту забезпечував необхідну механічну міцність, яка дозволяла б без перешкоджань чи витрат багато разів вилучати зразки з води чи водних розчинів, підсушувати і проводити повторні набухання. Температура суміші на початку синтезу складала 31 °C. Індукційний період полімерізації тривав близько 90 хвилин. Синтезований композит підсушувався до вологості 23±1 % і розрізався на зразки масою 0,85±0,02 г, які занурювалися у воду і водні розчини тетраборату натрію. Після набухання до постійної маси зразки вилучалися, зважувалися, підсушувалися до вологості 25±2 %. Потім вони повторно занурювалися у воду і розчини тетраборату. Така процедура повторювалась протягом чотирьох разів (циклів), результати наведені в таблиці 1. Таблиця 1 Ступінь вільного набухання зразків у воді та водних розчинах тетраборату натрію після циклів набухання і просушування Концентрація Na2B4O7, % 0 0,03 0,08 0,15 0,3 15 І 22,6 21,8 19,0 16,4 13,8 Номери циклів та ступінь набухання по масі, г/г II III 40,2 52,1 41,1 36,3 26,8 29,3 22,8 23,3 19,4 18,3 IV 43,6 32,9 26,0 22,8 18,2 У всіх випадках повторне набухання перевершувало первісне і залишалося найбільшим го го протягом 2 та 3 циклів, після чого починало знижуватися. 137 У якості прикладу наводяться результати дослідів по сорбції Cs композитом наведеного складу з води та водних розчинів тетраборату натрію (табл. 2) Таблиця 3 137 Коефіцієнти розподілу при циклічній сорбції Cs глино-полімерним композитом з води та розчинів тетраборату натрію Розчини Вода Na2B4O7, 0,03 % Na2B4O7, 0,3 % Номери циклів та коефіцієнти розподілу, мл/г І ІІ III 502 15670 14250 886 351 451 928 869 519 20 25 30 35 У дослідах маса зразків складала від 0,018 до 0,023 г. Об'єм радіоактивних розчинів становив 20 мл, початкова активність була 1964 Бк/мл. 137 Коефіцієнт розподілу ( Kd ) при повторній сорбції Cs з води збільшується майже у 30 разів і зберігається високим і у наступному циклі. 137 Повторна сорбція Cs з водних розчинів тетраборату натрію відбувається з меншими показниками Kd внаслідок накопичення у композитах молекул тетраборату натрію. Важливим є поступове накопичення радіонукліду глинополімерним композитом під час кожного циклу набухання-висушування, що ілюструється на фіг. 1, 2, 3. Позначення на рисунках: An/Аr - відношення активності зразка після кожного циклу сорбції An до початкової активності зразка Аr. Використання запропонованого способу підвищення ступеня набухання та сорбційної здатності глинополімерних композитів має такі переваги перед існуючими: 1. Спосіб є простим, не потребує додаткового устаткування; 2. Реалізація способу відбувається при незмінному хімічному складі композитів і не потребує додаткових хімічних реактивів; 3. Спосіб дозволяє накопичувати активність на глинополімерних композитах і тим самим збільшувати співвідношення активність: маса сорбенту, що важливо для подальшого його зберігання чи захоронення; 2 UA 116082 U 4. Спосіб збільшує ефективність використання глинополімерних композитів для гідроізоляції та при виконанні робіт по дизактивації рідких низькосольових розчинів. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 1. Спосіб підвищення ступеня набухання та сорбційної здатності глинополімерних композитів включає синтез глинополімерних композитів, який відрізняється тим, що після синтезу композит підсушують, проводять процедуру набухання до постійної маси і знову підсушують. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що підсушування проводять до вологості, яка визначається експериментально і обумовлена компонентним складом композиту, умовами його синтезу та вимогами до властивостей композиту необхідних для його застосування. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що його реалізація дозволяє під час кожного циклу висушування - набухання у радіоактивних розчинах накопичувати активність на зразках композиту. 3 UA 116082 U Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4