УДК 667:728.8(045)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ ОКИСЛЕНИЯ ХЛОПКОВОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

Солозобов Иван Алексеевич1, Шарова Светлана Романовна2
1ФГБОУ ВО Ивановский государственный химико-технологический университет, магистрант
2ФГБОУ ВО Ивановский государственный химико-технологический университет, магистрант

Аннотация
Проведена обработка нативной целлюлозы метаперйодатом натрия. Изучено влияние концентрации реагента и времени окисления на количество альдегидных групп в хлопковой целлюлозе. Определены условия реакции окисления хлопковой целлюлозы метаперйодатом натрия для получения оптимального содержания альдегидных групп.

Ключевые слова: альдегидные группы, модифицирование целлюлозы, окисление, оптимальные условия


DETERMINATION OF THE OPTIMAL CONDITIONS FOR OXIDATION OF COTTON CELLULOSE

Solozobov Ivan Alekseevich1, Sharova Svetlana Romanovna2
1Ivanovo State University of Chemistry and Technology, master student
2Ivanovo State University of Chemistry and Technology, master student

Abstract
The treatment of native cellulose by sodium metaperiodate is carried out. The effect of reagent concentration and oxidation time on amount of aldehyde groups in the cotton cellulose is studied. The reaction conditions of oxidation of cotton cellulose by sodium metaperiodate for receiving optimal content of aldehyde groups are obtained.

Рубрика: 02.00.00 ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Солозобов И.А., Шарова С.Р. Определение оптимальных условий окисления хлопковой целлюлозы // Современные научные исследования и инновации. 2016. № 9 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2016/09/70948 (дата обращения: 19.11.2016).

Введение. В настоящее время актуальной является задача разработки экологически чистых и биологически инертных сорбентов. Это связано с растущим загрязнением биосферы тяжелыми металлами, которые являются стойкими химическими загрязнителями кумулятивного действия со специфическими токсическими свойствами.

Исследования последних лет показали, что содержащиеся в продуктах растительного происхождения регулярные гомополисахариды (целлюлоза, хитин), называемые также «пищевыми волокнами», обладают заметной связывающей способностью в отношении ряда тяжелых металлов. Это обстоятельство побуждает к разработке сорбционных методов очистки водных сред с применением природных материалов.

В ряде работ [1-4] предлагаются различные методы модифицирования целлюлозосодержащих полимеров, включая механические, физические, химические, биохимические и физико-химические виды воздействий. Какими бы разными способами ни проводили модифицирование, основные его цели – увеличение внутренней адсорбционной поверхности и доступности активных групп, а также создание новых сорбционно-активных центров на поверхности сорбентов.

Перспективным представляется химическое модифицирование целлюлозосодержащих сорбентов, позволяющее с использованием недорогих и доступных реагентов существенно повысить сорбционную емкость природных сорбентов.

Целью данной работы является исследование процесса химического модифицирования хлопковой целлюлозы метаперйодатом натрия для  нахождения оптимального содержания альдегидных групп.

Экспериментальная часть. В качестве сорбента была выбрана хлопковая целлюлоза (ГОСТ 595-79), которую предварительно кипятили с 5 %-м раствором NaHCO3 для очистки от примесей и высушивали до постоянного веса. Воздушно сухие образцы целлюлозы имели влажность 8 %.

Для получения сорбента с улучшенными равновесно-кинетическими характеристиками перспективным является двустадийное модифицирование целлюлозы через стадию образования диальдегидцеллюлозы с последующим превращением альдегидных групп в сорбционно активные группы по отношению к ионам металлов.

Окисление целлюлозы можно проводить различными способами, например, с использованием таких окислителей как метаперйодат натрия, параперйодат натрия, йодная кислота, гипохлорит натрия, перекись водорода, озон, бихромат калия, перманганат калия и хлорит натрия [5]. Однако большая часть окислителей является неспецифичной по способу действия; их использование приводит к образованию в основном карбоксильных групп, а также может вызывать разрыв полимерных цепей макромолекул целлюлозы. В отличие от них, перйодат – ионы взаимодействуют с целлюлозой без разрушения ее волокон. При действии метаперйодата натрия на целлюлозу происходит окисление двух соседних спиртовых групп при С2 и С3 до альдегидных групп с одновременным разрывом углерод – углеродной связи между ними (образуется диальдегидцеллюлоза):

Рисунок 1. Реакция образования диальдегидцеллюлозы

Диальдегидцеллюлозу получали путем окисления хлопковой целлюлозы метаперйодатом натрия. Для достижения наибольшего результата были определены оптимальные условия окисления целлюлозы.

Реакцию окисления проводили при рН 3-4, поскольку окислительные свойства перйодата проявляются в кислой среде [6]. При значении рН выше 4,6 метаперйодат натрия превращается в нерастворимый параперйодат.

Наиболее предпочтительный температурный интервал составляет 40-45°С. Это связано с тем, что при температурах ниже 20°С реакция протекает очень медленно. Однако при температурах выше 55°С процесс окисления  идет слишком быстро, что вызывает неоднородность продукта и разложение метаперйодата.

Модуль раствор / сорбент 20 выбран, исходя из того, что целлюлоза в процессе модифицирования должна быть полностью погружена в раствор окислителя, причем должен иметься небольшой избыток раствора для обеспечения доступа окислителя к реакционным центрам целлюлозы и полноты протекания процесса.

Результаты и их обсуждение. Влияние концентрации метаперйодата натрия на содержание альдегидных групп в хлопковой целлюлозе при времени окисления 1 ч, рН 3 , модуле раствор/сорбент 20, температуре 40°С представлено в табл. 1.

Содержание альдегидных групп в хлопковой нативной и окисленной целлюлозе определяли методом йодометрического титрования.

Содержание альдегидных групп находили по формуле:

a – объем раствора гипосульфита, пошедший на титрование в контрольном опыте, мл;

b – объем раствора гипосульфита, пошедший на титрование в основном опыте, мл;

q – навеска хлопковой целлюлозы с учетом влажности, г;

n – нормальность раствора гипосульфита;

Е-сон = 14,51 – г-экв альдегидных групп, участвующих в реакции.

Таблица 1 Влияние концентрации метаперйодата натрия на содержание альдегидных групп в хлопковой целлюлозе (время окисления – 1 ч, рН 3 , модуль раствор/сорбент 20, температура 40°С)

С NaIO4, моль/л

Содержание альдегидных групп в целлюлозе, %

Нативная  хлопковая целлюлоза

0,11

0,05

0,56

0,08

1,89

0,10

2,05

0,12

2,35

0,15

2,85

0,18

3,35

0,20

3,60

0,25

3,98

0,30

4,31

Содержание альдегидных групп в окисленной целлюлозе линейно (с коэффициентом корреляции 0,97) возрастает с ростом концентрации раствора метаперйодата натрия в области 0-0,30 моль/л NaIO4 (табл. 1). В соответствии с окислительным потенциалом (HIO4) [6] можно было ожидать следующих соотношений между окислителем, восстановителем и количеством образующихся альдегидных групп:

(т.е. мольное соотношение IO4-/альдегидные группы = 1/2). Однако из табл. 1 с учетом значения модуля (раствор NaIO4- : целлюлоза) ≈ 20 следует, что альдегидных групп образуется значительно меньше, чем должно быть по уравнению реакции и наблюдается следующее мольное соотношение: IO4-/альдегидные группы = 1/0,3. Это несоответствие можно отнести за счет протекания побочных реакций:

IO4-   +   H2O   →   H2O2   +  IO3-

2H2O2   +   →   O2   +   2H2O

-СОН   +   Н2О2   →   -СООН   +  Н2О,

Следовательно, окислитель должен быть взят с достаточно большим избытком.

Из таблицы 1 видно, что с увеличением концентрации метаперйодата натрия от 0,05 до 0,30 моль/л содержание альдегидных групп в хлопковой целлюлозе возрастает почти на порядок. На основании проведенных исследований для окисления целлюлозы была выбрана концентрация раствора метаперйодата натрия 0,2 моль/л, поскольку при концентрации альдегидных групп в сорбенте 3,98 % и выше целлюлоза, при дальнейшем использовании, начинает сильно набухать в водных растворах, что затрудняет ее использование в качестве сорбента.

Влияние времени окисления хлопковой целлюлозы 0,2 М раствором NaIO4 на содержание альдегидных групп при рН 3, модуле раствор/сорбент 20, температуре 40°С приведено в табл. 2.

Таблица 2 Влияние времени окисления хлопковой целлюлозы 0,2М раствором NaIO4 на содержание альдегидных групп (рН 3, модуль раствор/сорбент 20, температура 40°С)

Время окисления, мин

Содержание альдегидных групп, %

Необработанная хлопковая целлюлоза

0,11

10

1,51

20

2,89

30

3,33

45

3,42

60

3,60

90

3,65

Таким образом, для получения необходимого количества альдегидных групп требуется время 30-60 мин.

Вывод. Исследован процесс химического модифицирования хлопковой целлюлозы метаперйодатом натрия. Изучено влияние концентрации реагента и времени окисления на количество альдегидных групп в хлопковой целлюлозе. На основании проведенных исследований были определены оптимальные условия окисления целлюлозы: pH 3; CNaIO4 = 0,2 моль/л; температура 40 оС; время окисления 30-60 мин; модуль раствор/сорбент – 20. Полученная окисленная целлюлоза может быть использована для дальнейшего модифицирования с целью получения высокоэффективного сорбента.


Библиографический список
  1. Shukla S.R., Sakhardande V.D. Cupric ion removal by dyed cellulosic materials // J. Appl. Polym. Sci. 1990. V. 41. N 11-12. P. 2655-2663.
  2. Никифорова Т.Е., Козлов В.А., Багровская Н.А., Натареев С.В. Сорбционные свойства льняного волокна, модифицированного плазмой // Журнал Прикладной Химии. 2008. Т. 81. Вып. 7. С. 1096-1100.
  3. Toshihiko S., Kazuhiro K., Hiromi K., Yasuo O. Synthesis of cellulose derivatives containing amino acid residues and their adsorption of metal ions // J. Soc. Fiber Sci. and Technol. 1983. V. 39. № 12. P. 519-524.
  4. Никифорова Т.Е., Козлов В.А. Сорбция ионов Cu(II) соевым шротом, модифицированным монохлорацетатом натрия // Журн. Прикл. Химии. 2008. Т. 81. Вып. 2. С. 428-433.
  5. Пат. 2142530 (1999) РФ. Опубл. 10.12.1999.
  6. Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. Л.: Химия, 1978. 392 с.
  7. Никифорова, Т.Е. Исследование влияния окислительно-бисульфитной модификации хлопковой целлюлозы на ее ионообменные свойства / Т.Е. Никифорова, В.А. Козлов // ЖОХ. – 2011. – Т. 81, Вып. 10. – С. 1683-1689.


Все статьи автора «svetok94»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация