СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МАКРОПОРИСТОГО ПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА С МАГНИТНЫМИ НАНОЧАСТИЦАМИ ДЛЯ УСТРАНЕНИЯ РАЗЛИВОВ НЕФТЕПРОДУКТОВ С ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ

Изобретение относится к области химии полимеров, а именно к получению макропористых полимерных композиционных материалов с магнитными частицами, и может быть использовано при устранении разливов нефтепродуктов с водной поверхности и почвы.

Известен полимерный микропористый сорбент, обладающий магнитными свойствами (патент № 2241537 RU), предназначенный для удаления нефти, масел, мазута, топлива с поверхности воды и почвы. Недостатком сорбента является малый размер пор, вследствие чего, он обладает низкой скоростью поглощения вязких жидкостей. Также, магнитные частицы в данном материале находятся в каналах пор, что снижает его пористость и уменьшает сорбционную емкость.

Известен материал (патент № 102675516 CN), представляющий собой макропористые полимерные сферы, содержащие гидрофобные частицы диоксида кремния и гидрофильные магнитные частицы. Недостатком материала является то, что гидрофильные магнитные частицы вводятся через водную фазу, вследствие чего осаждаются на внешней поверхности пористых сфер, что может привести к их смыванию при контакте с жидкостью.

Известен способ получения макропористого полимерного материала, содержащего предварительно поверхностно-модифицированные магнитные частицы (патент № 106749830 CN). Данный материал может быть использован для очистки воды от молекул лямбда-цигалотрина. Недостатком данного метода является необходимость предварительной поверхностной модификации магнитных частиц, а также необходимость использования вакуумной сушки, что усложняет процесс получения материала.

Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности и достигаемому результату является полимерный макропористый материал (Zhang N., Zhong S., Zhou X., Jiang W., Wang T., Fu J. Superhydrophobic P (St-DVB) foam prepared by the high internal phase emulsion technique for oil spill recovery // Chemical Engineering Journal. 298. 2016. P. 117–124, прототип). Данный материал имеет открытые поры и обладает высокой сорбционной емкостью. Недостатком прототипа является то, что используемые магнитные частицы имеют размер более 300 нм, вследствие чего, частицы располагаются на внутренней поверхности пор, что может привести к их вымыванию в процессе поглощения органических загрязнителей.

Технической задачей предлагаемого изобретения является получение макропористого полимерного композиционного материал с магнитными наночастицами, расположенными внутри полимерной матрицы, что препятствует их вымыванию при поглощении жидкости.

Для решения поставленной задачи в качестве наполнителя для макропористого полимерного композиционного материала используются магнитные наночастицы маггемита (γ-Fe₂O₃) размером 10 – 100 нм.

Для синтеза макропористого полимерного композиционного материала с магнитными наночастицами 0,1 – 0,5 г наночастиц маггемита (γ-Fe₂O₃) смешивают с 0,1 – 0,3 мл сорбитанмоноолеата. К полученному золю добавляют 2 мл смеси стирола и дивинилбензола в объемном соотношении 9:1. При постоянном перемешивании на верхнеприводной мешалке со скоростью 1200 об/мин, с помощью перистальтического насоса добавляют 40 мл водного раствора персульфата аммония с концентрацией 1 – 6 мМ. Полученную эмульсию типа «вода в масле», содержащую ~ 95 об.% водной фазы, нагревают при 65°С в течение 3 часов, после чего твердый материал выдерживают в печи при той же температуре в течение 24 часов.

Микроизображение структуры материала со сканирующего электронного микроскопа приведено на фиг. 1 и показывает, что материал имеет макропористую структуру с открытыми порами. Микроизображение структуры материала с просвечивающего электронного микроскопа приведено на фиг. 2 и показывает, что магнитные наночастицы расположены внутри полимерной матрицы материала.

При использовании объемного соотношения стирола к дивинилбензолу менее 9:1 получаемый материал обладает низкими прочностными характеристиками. Увеличение соотношения выше 9:1 не оказывает значительного влияния на свойства материала.

Изменение концентрации раствора персульфата аммония в указанном диапазоне не оказывает значительного влияния на скорость полимеризации и свойства материала. При использовании концентрации меньше 1 мМ скорость полимеризации низкая, эмульсия частично расслаивается. Использование концентрации больше 6 мМ нецелесообразно, так как скорость полимеризации увеличивается незначительно.

Изменение объема сорбитанмоноолеата в заявленном диапазоне слабо влияет на устойчивость эмульсии и структуру получаемого материала. При использовании объема сорбитанмоноолеата меньше 0,1 мл эмульсия расслаивается. При использовании объема сорбитанмоноолеата больше 0,3 мл получаемый материал имеет участки с разрушенными стенками между пор.

Рассматриваемое изобретение иллюстрируется нижеприведенными примерами.

Пример 1

0,5 г наночастиц маггемита (γ-Fe₂O₃) смешивают с 0,3 мл сорбитанмоноолеата. К полученному золю добавляют 2 мл смеси стирола и дивинилбензола, в объемном соотношении 9:1. При постоянном перемешивании на верхнеприводной мешалке со скорость 1200 об/мин с помощью перистальтического насоса добавляют 40 мл водного раствора персульфата аммония с концентрацией 6 мМ. Полученную эмульсию типа «вода в масле», содержащую ~ 95 об.% водной фазы, нагревают при 65°С в течение 3 часов, после чего твердый материал выдерживают в печи при той же температуре в течение 24 часов. Получаемый материал имеет пористость не менее 95% и обладает сорбционной емкостью 20 г/г относительно трансмиссионного масла.

Пример 2

0,1 г наночастиц маггемита (γ-Fe₂O₃) смешивают с 0,1 мл сорбитанмоноолеата. К полученному золю добавляют 2 мл смеси стирола и дивинилбензола в объемном соотношении 9:1. При постоянном перемешивании на верхнеприводной мешалке со скоростью 1200 об/мин с помощью перистальтического насоса добавляют 40 мл водного раствора персульфата аммония с концентрацией 1 мМ. Полученную эмульсию типа «вода в масле», содержащую ~ 95 об.% водной фазы, нагревают при 65°С в течение 3 часов, после чего твердый материал выдерживают в печи при той же температуре в течение 24 часов. Получаемый материал имеет пористость не менее 95% и обладает сорбционной емкостью 20 г/г относительно трансмиссионного масла.