Поли(акриламид)(гидро[тетрагидроксожелеза(III)]диметиламиноэтилметакрилата)

Изобретение относится к новому соединению на основе катионного сополимера акриламида и золя гидроксида железа (III), которое может быть использовано при очистке сточных вод, содержащих диоксид титана (TiO₂) или диоксид кремния (SiO₂), или диоксид циркония (ZrO₂), или гидроксид магния (Mg(OH)₂), а также после стадии биоочистки.

Наиболее близким по технической сущности является вещество - полимер-неорганический гибрид, получаемое при смешении водных растворов сополимера акриламида с гидрохлоридом диметиламиноэтилметакрилата и золя гидроксида алюминия, структурной формулы

где n₁ равно 49500,

n₂ равно 2900,

молекулярная масса равна 4,08⋅10⁶ у.е..

Указанный полимер-неорганический гибрид получают путем смешения водных растворов золя Al(ОН)₃ и катионного сополимера акриламида. Золь Al(ОН)₃ получают путем взаимодействии хлорида алюминия с карбонатом аммония при рН, равном 3-4, и температуре 70°C, см. Проскурина В.Е. и др. Журнал прикладной химии. 2013. Т. 86. №11. С. 1837-1842.

Технической проблемой является то, что очистка сточных вод, содержащих диоксид титана (TiO₂) или диоксид кремния (SiO₂), или диоксид циркония (ZrO₂), или гидроксид магния (Mg(OH)₂), а также после стадии биоочистки указанным полимер-неорганическим гибридом неэффективна, полимер-неорганический гибрид обладает недостаточной флокулирующей способностью.

Техническая проблема решается новой структурой вещества поли(акриламид)(гидро[тетрагидроксожелеза(III)]диметиламиноэтилметакрилата) структурной формулы

где n₁ равно 49500,

n₂ равно 2900,

молекулярная масса равна 4,11⋅10⁶ у.е.

Заявленное вещество указанной структуры получают смешением водных растворов золя гидроксида железа (III) и сополимера акриламида с гидрохлоридом диметиламиноэтилметакрилата при соотношении 1:1 при комнатной температуре. Золь гидроксида железа (III) вишнево-коричневого цвета получают по реакции FeCl₃+3H₂O→Fe(ОН)₃↓+3HCl путем приливания в кипящую воду водного раствора FeCl₃ (0,499 г FeCl₃⋅6H₂O), вода и хлорид железа берут в соотношении 6÷1. При кипячении образующийся HCl удаляют из системы с парами воды для смещения равновесия в сторону образования золя гидроксида железа.

Решение технической задачи позволяет увеличить от 4 до 15 раз флокулирующий эффект при очистке сточных вод, содержащих диоксид титана (TiO₂) или диоксид кремния (SiO₂), или диоксид циркония (ZrO₂), или гидроксид магния (Mg(OH)₂), а также после стадии биоочистки.

Структуру поли(акриламид)(гидро[тетрагидроксожелеза(III)]диметиламиноэтилметакрилата) подтверждают методами вискозиметрии, ИК-спектроскопии, ЯМР ¹³С.

Величину молекулярной массы заявленного вещества определяют методом вискозиметрии с использованием уравнения Марка-Куна-Хаувинка

где [η] - предельное число вязкости,

К равно 0,646⋅10^-5,

α равно 0,804,

М - молекулярная масса.

Предельное число вязкости ([η]) в см³/г вычисляют по формуле

где η, η₀ - динамическая вязкость растворов полимера и растворителя, соответственно,

С - концентрация полимера, г/см³.

Предельное число вязкости [η] определяют графической экстраполяцией к нулевой концентрации (пунктирная линия, Фиг. 1) значений полученных для нескольких концентраций, см. ГОСТ 18249-72.

По отсекаемой ординате определяют предельное число вязкости [η], см. Фиг. 1.

По данным ИК-спектроскопии для заявленного вещества характерно наличие пиков при 1100 и 880 см^-1, соответствующих Fe-OH связи, пик при 676 см^-1 Fe-O, 3356 см^-1 N-H, 1722 см^-1 (С=O фрагмент сложного эфира).

В спектре ЯМР¹³С приведены сигналы с химическим сдвигом δ, м.д.: 33-38 (СН₂ звеньев акриламида), 37,5-43 (СН), 41,5-45,6 (СН₂), 38 (CH₂N), 62 (ОСН₂) звеньев гидро[тетрагидроксожелеза(III)]диметиламиноэтилметакрилата.

Использование вещества поли(акриламид)(гидро[тетрагидроксожелеза(III)]диметиламиноэтилметакрилата) в качестве флокулянта для очистки сточных вод проводят на сточных водах, содержащих диоксид титана (TiO₂) или диоксид кремния (SiO₂), или диоксид циркония (ZrO₂), или гидроксид магния (Mg(OH)₂), а также после стадии биоочистки. Готовят суспензии, содержащие по 8 г очищаемого образца в цилиндрах на 1000 см³ и 100 см³, заполненных водой. Суспензии перемешивают дисковой мешалкой с 12 отверстиями путем 10-кратного медленного ее перемещения в вертикальном направлении в цилиндре на 1000 см³ и 10-кратным опрокидыванием цилиндра на 100 см³. Заявляемое вещество в объеме 6,2 см³ 0,1 мас. % водного раствора вводят в объем суспензии в цилиндр на 1000 см³ и 6,2 см³ 0,01 мас. % водного раствора вводят в объем суспензии в цилиндр на 100 см³, перемешивают и определяют среднюю скорость оседания частиц на весовом седиментометре СВ-1 в цилиндре на 1000 см³ и по изменению положения границы раздела между осветленной и неосветленной частями мерного цилиндра объемом 100 см³.

Для количественной оценки флокулирующей способности рассчитывают величину флокулирующего эффекта D по формуле:

где - средняя скорость седиментации суспензии в присутствии заявленного вещества,

- средняя скорость седиментации суспензии в отсутствии заявленного вещества.

Средние скорости седиментации суспензий рассчитывают согласно методике, описанной в статье, см. Мягченков В.А. и др. Химия и технология воды, 2000. Т. 22. №5. С. 462-472.

Результаты флокулирующего эффекта представлены в таблице 1.

* Отрицательные значения флокулирующего эффекта по прототипу свидетельствуют об отсутствии флокулирующего действия.

** Сточная вода содержит азот аммонийный 3,3 мг/л, азот нитратный 45 мг/л, азот нитритный 5 мг/л, фосфатные соединения 4 мг/л, нефтепродукты 0,45 мг/л, неионогенные синтетические поверхностно-активные вещества 0,5 мг/л, взвешенные вещества 15,3 мг/л.

Таким образом, результаты, приведенные в таблице 1, показывают, что флокулирующий эффект при очистке сточных вод, содержащих диоксид титана или диоксид кремния, или диоксид циркония, или гидроксид магния, а также после стадии биоочистки по сравнению с прототипом увеличен от 4 до 15 раз.