Структурні та іоннообмінні характеристики композитних гідрогелів на основі зшитого кополімеру полі(акриламід-ко-2гідроксіетилметакрилат), наповнених шаруватим подвійним гідроксидом NiXAl(1-X)(OH)Y

Abstract

Методом in situ синтезовано композитні полімерні сорбенти з властивостями гідрогелів шляхом полімеризації суміші акриламіду (ААм), 2-гідроксіетилметакрилату (2ГЕМА) та зшиваючого агента N,N’-метиленбісакриламіду за вільнорадикальним механізмом за наявності дисперсії попередньо отриманого нікель-алюмінієвого шаруватого подвійного гідроксиду (NiAl-ШПГ). Вміст активного наповнювача NiAl-ШПГ у полімерній матриці варіювали від 30 до 70 мас. %. Встановлено, що високий рівень наповнення композиту спричиняє закономірне зниження молекулярної рухливості ланцюгів кополімерної матриці та відповідне зниження температури початку склування полімерної складової. Результати термічного аналізу полімерних композитів вказують на високий рівень гідрофільності полімерної матриці та високу енергію сольватації полярних груп матриці молекулами Н2О, оскільки повільна дегідратація сорбованої вологи відбувається до температури 200–210 °С. В цьому діапазоні температур також спостерігається дегідратація та зміна структури термічно лабільного наповнювача. Подальше зростання температури викликає руйнування матриці полі(ААм-ко-2ГЕМА), а за температур вище 400 °С відмічено прояв хімічної активності наповнювача щодо органічних складових матриці та його каталітичної активності. Встановлено, що введення аніоноактивного NiAl-ШПГ до гідрофільної полімерної матриці надає отриманим композитним сорбентам здатність ефективно поглинати з водного середовища забруднювачі аніонної природи, до яких полімерна матриця інертна. Встановлено, що максимальна сорбційна ємність композитних сорбентів щодо модельного забруднювача – аніонного барвника метилового оранжевого становить 11,40 μмоль/г за вмісту наповнювача 70 мас. %. У той же час сорбційна ємність NiAl-ШПГ у складі композитних сорбентів знижується з 25,7 до 16,6 μмоль/г при зростанні вмісту наповнювача до 70 мас. % як результат агрегаційних процесів між частинками наповнювача під час формування полімерних композитів. З метою перевірки можливості багаторазового використання композитних сорбентів була оцінена їхня здатність до регенерації. Встановлено, що методом аніонного обміну з використанням екологічно безпечного елюента – водного розчину Na2CO3, що не змінює будову активного наповнювача, можна досягти ефективності регенерації до 80 %. Результати роботи свідчать про можливість практичного використання отриманих сорбентів для очищення забруднених промислових стоків. Here the composite polymer sorbent hydrogels were synthesized by in situ technique via free radical polymerization of acrylamide (AAm), 2-hydroxyethyl methacrylate (2HEMA) and N,N’-methylene-bis(acrylamide) crosslinker mixture in the presence of as-prepared dispersion of nickel-aluminum layered double hydroxide (NiAl-LDH). A content of active NiAl-LDH filler in the polymer matrix was varied in a range of 30 – 70 wt.%. It was found a high filler content suppresses a molecular mobility of copolymer matrix chains and reduces a beginning of glass transition temperature of the polymer constituent. The results of thermal analysis of polymer composites demonstrate a high hydrophilicity level of polymer matrix and high solvation energy of polar functionalities by Н2О molecules that was concluded from slow moisture elimination process while the temperature grows up to 200–210 оС. Additionally, a dehydration process and changes in a structure of thermally labile filler were also observed at the same temperature interval. At higher temperatures a thermal degradation of polymer poly(AAm-co-2HEMA) matrix is carried out. When a temperature overcomes 400 оС the partially changed filler demonstrates a chemical interaction with degraded organic constituents of the composites and defined catalytic activity as well. Studying sorption activity of the composites shown that introducing NiAl-LDH into hydrophilic polymer matrix provides anion-exchange activity to the composite sorbents and, correspondingly, the ability to eliminate the anionic contaminants from aqueous media while the polymer matrix doesn’t absorb these substances at such conditions. The highest sorption capacity of 11,40 μmol/g against model contaminant – methyl orange dye was determined for composite sorbent with filler content of 70 wt. %. At the same time sorption capacity of NiAl-LDH filler in composite sorbents reduces from 25,7 to 16,6 μmol/g while a filler content grows from 30 to 70 wt.% as a result of filler particles aggregation processes during composites formation stage. To evaluate the ability of the composite sorbents to reuse the experiment of materials recycling was performed. It was stated out the using of anion-exchange technique and aqueous Na2CO3 solution as an efficient and non-hazardous eluent provides 80 % recovering efficiency of the active filler in the composites. It can be concluded the composite sorbents demonstrate a high overall efficiency and are valuable materials for practical application for decontamination of waste water.