нир. Отчет по научноисследовательсткой работе студент 1 курса дневного отделения группы хтбавм2019
 Скачать 25.81 Kb.
|
|
МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Тверской государственный технический университет» (ТвГТУ) Кафедра биотехнологии, химии и стандадртиазции ОТЧЕТ ПО НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСТКОЙ РАБОТЕ Выполнил: студент 1 курса дневного отделения группы ХТ-БАВ-М-2019 Еремченкова Н.Э. Принял: Руководитель практики от ТвГТУ доцент кафедры БХС Никошвили Л.Ж. Тверь 2019 УДК 541.6+544.473-039.63-386 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СВЕРХСШИТОГО ПОЛИСТИРОЛА В КАЧЕСТВЕ НОСИТЕЛЯ ДЛЯ СИНТЕЗА КАТАЛИТИЧЕСКИХ СИСТЕМ И СОРБЕНТОВ Еремченкова Н.Э. Тверской государственный технический университет, Кафедра биотехнологии, химии и стандартизации, Тверь, Россия Работа посвящена изучению структуры и свойств сверхсшитого полистирола. Также рассмотрены основные области его применения. Получение новых эффективных сорбентов имеет важное значение для решения экологических проблем, связанных с превышением предельно допустимой концентрации токсичных соединений в природных водах, используемых в системах водоснабжения городов. В системах водоподготовки в основном используются традиционные сорбенты, в частности активированный уголь, однако в настоящее время перспективным является применение гранулированных полимерных сорбентов и композитов на их основе. Известно большое число таких сорбционных материалов, среди которых сверхсшитые полистиролы занимают особое место, отличаясь своими уникальными физическими и сорбционными свойствами, благодаря которым эти сорбенты нашли широкое практическое применение для выделения и разделения огромного числа органических и неорганических соединений как в научных исследованиях, так и в производственных процессах. Уникальная трехмерная структура сверхсшитых полистиролов, обладающая определенной подвижностью и способностью аккумулировать значительные внутренние напряжения, с одной стороны, а с другой – хорошо развитая система микро- и макропор, являются идеальными условиями для формирования в такой полимерной матрице наноструктурированных фаз с требуемыми свойствами. Сверхсшитые материалы характеризуются необычной гомогенной структурой, образующейся в результате особых условий проведения синтеза полимеров. Особенности формирования трехмерной структуры заключаются в том, что, во-первых, до начала реакции сшивания исходный раствор гомогенен, все полистирольные звенья равнозначны, поэтому образующиеся в ходе реакции мостики-распорки равномерно распределены по объему конечной трехмерной сетки; во-вторых, в течение всего процесса сшивания полимерные цепи сольватированы хорошим растворителем, что сводит к минимуму вероятность возникновения локальных напряжений в структуре формирующегося полимера [1]. СПС синтезируют введением большого количества СН2-мостиков между близлежащими фенильными кольцами линейного полистирола с образованием пористой структуры. Высокая степень сшивки полимера обеспечивает его конформационную жесткость и высокую пористость. Степень сшивания может составлять от 40 до 500%. При степенях сшивания на 40% связаны каждые 6 фенильных колец из 10, на 100% - практически все фенильные кольца соединены друг с другом, на 200% - большинство колец соединены дважды и т.д. Благодаря возможности многочисленных локальных конформационных перестроек фрагментов, в первую очередь метиленовых мостиков и фенильных колец, сверхсшитая сетка обладает уникальной способностью к большим деформациям при механическом воздействии и при сорбции растворителей. С другой стороны, при удалении растворителей подвижная сверхсшитая сетка уменьшается в объеме до определенного предела, когда фиксируется аномально большой свободный объем. Кроме того, структурные перестройки циклов с жесткими фрагментами неизбежно сопровождаются образованием напряжений, которые зафиксированы в полимерной структуре, наряду с аномально большими межмолекулярными пустотами (элементами свободного объема). В результате такая полимерная сетка (сверхсшитый полимер) обладает уникальными свойствами – микропористью (размер пор несколько нанометров), характеризуемой огромными значениями внутренней удельной поверхности (до 1500 м2/г) и способностью быстро поглощать значительные количества органических растворителей или газов любого типа, как совместимых (бензол, дихлорэтан и др.), так и термодинамически несовместимых с матрицей полистирольного типа (спирты, эфиры и др.) [2]. На основе сверхсшитых полистирольных матриц синтезированы ионообменные смолы, которые по величине обменной емкости уступают обычным ионитам, но по ряду свойств превосходят их: гранулы сверхсшитых ионитов отличаются повышенной осмотической, механической и химической стойкостью, термической стабильностью, постоянством объема в растворах электролитов с различной ионной силой и pH, устойчивостью к окислению и высокой селективности к некоторым ионам. Уникальные сверхсшитые материалы нашли применение в технологиях сорбции паров углеводородов и органических растворителей, извлечения ионов металлов, поглощения полярных и неполярных органических соединений из водных сред [3]. Наноразмерные катализаторы на основе СПС вызывают не только очевидный научный интерес, но и несомненно практические перспективны, так как для них характерны сравнительно невысокие требования к чистоте используемого сырья и реактивов, простота аппаратурного оформления и технологии проведения процесса, высокие выходы целевого продукта, экологическая безопасность и высокая стабильность, т.е. достоинства, необходимые для промышленного использования. Среди огромного числа известных полимеров сверхсшитые полистиролы занимают особое место. Интерес к таким материалам определяется в первую очередь широкими возможностями их практического применения в качестве высокоэффективных сорбентов для выделения и разделения огромного числа органических и неорганических соединений, как в научных исследованиях, так и в производственных процессах. Сверхсшитые полистиролы обладают уникальными физическими свойствами и отличаются развитой нанопористой структурой и необычно высокой подвижностью полимерной сетки. Устойчивая нанопористая и, в то же время, подвижная структура сверхсшитых полистиролов является «идеальной» матрицей для формирования различных нанокластеров неорганической и органической природы. Такие нанокомпозиционные материалы могут отличаться уникальными оптическими, магнитными, каталитическими и др. свойствами. В частности, актуальным является разработка эффективных магнитных сорбентов для удаления высокотоксичных соединений с использованием метода магнитной сепарации. Нанокомпозиты, сочетающие в себе особые свойства наночастиц и наиболее ценные свойства самой матрицы сверхсшитых полистиролов – структурную подвижность, высокую проницаемость и сорбционную емкость – могут оказаться весьма перспективными в качестве катализаторов, в том числе и обладающих магнитными свойствами [2]. Жесткие сверхсшитые полимеры обладают способностью к набуханию в любой жидкой среде, в т.ч. и в осадителях для исходного полимера. Поскольку СПС способен набухать в любых растворителях, доступ к каталитическим центрам должен обеспечиваться практически для всех реакционных сред, в т.ч. и в воде. Наночастицы металлов платиновой группы в матрице СПС характеризуется наличием как микро-(≤2 нм), мезо-(2.1–50 нм), так и макропор (>50 нм). Присутствие сквозных мезо- и макропор в полимерной матрице несомненно улучшает массоперенос реагентов и обеспечивает доступность субстрата к каталитически активным центрам, но, в то же время, наличие макропор ставило под сомнение возможность контроля за размером формирующихся наночастиц металлов. Обычно используют синтез и структуру моно-(Pt, Ru, Pd), би-(Pt-Pd, Pt-Ru, Pd-Ru) и триметаллических наночастиц (Pt-Pd-Ru), сформированных в порах полимерной матрицы СПС. Именно эти металлы являются наиболее каталитически активными в реакциях селективного гидрирования, используемых в синтезе полупродуктов витаминов и лекарственных средств [4]. Таким образом, актуальность и важность решения научных и прикладных проблем в области полимеров обусловили проведение исследования структуры, физических, механических и термических свойств нанопористых сверхсшитых полистиролов с целью их дальнейшего применения как в качестве сорбентов, так и в качестве носителей для создания катализаторов. Библиографический список Цюрупа М.П., Пастухов А.В., Даванков В.А. Сверхсшитый полистирол - полимер в неклассическом физическом состоянии // Доклады Академии наук. 1997. T.352. N1. C.72-73. Даванков В.А., Цюрупа М.П., Пастухов А.В., Маслова Л.А., Ильин М.М., Павлова Л.А., Андреева А.И., Тарабаева О.Г. Сверхсшитый полистирол: чужой среди своих // Природа. 1997. N10. C.51-54. Davankov V.A., Tsyurupa M.P., Hypercrosslinked polymeric networks and adsorbing materials. Synthesis, structure, properties, and application, Elsevier: Amsterdam, 2011, 56, 670 pp. Валецкий П.М. Наноразмерные катализаторы в тонком органическом синтезе – основа для разработки инновационных технологий в фармацевтической отрасли: учебник / М.Г. Сульман, Л.М. Бронштейн, Э.М. Сульман, А.И. Сидоров, В.Г. Матвеева // Российские нанотехнологии. – 2009. - № 9-10. Том 4. - С. 94-108. |