Разработка экологически значимых органо-минеральных сорбционных материалов для очистки вод, загрязненных металлами и поверхностно-активными веществами
Проект Министерства образования и науки Республики КазахстанИРН: АР08052134
Актуальность проекта:
Поиск новых сорбентов с высокими эксплуатационными характеристиками на основе природного минерального сырья, которые можно использовать для сорбционной очистки сточных вод является главной задачей в решении проблемы защиты водных ресурсов. В качестве сорбентов для непосредственного удаления поверхностно-активного вещества и тяжелых металлов из сточных вод исследуют использование цеолитов, что связано с его широкой распространенностью и экономической целесообразностью технологического применения.
Для решения экологической проблемы очистки сточных вод, расширения ассортимента экологически чистых и экономически выгодных сорбентов предлагаются химически сшитые композиционные макропористые криогелевые и гелевые сорбенты на основе неионогенных полимеров (ПАА, ПВП), анионных акрилатов (ПАК, ПМАК) и бентонитовой глины, обладающие высокими комплексообразующими, набухающими и сорбционными способностями в отношении ПАВ и ионов тяжелых металлов.
Цель проекта: Разработка новых композиционных материалов на основе полимеров и глинистых минералов отечественного происхождения для использования в качестве сорбентов ионов тяжелых металлов и поверхностно-активными веществами (ПАВ).
Задачи проекта
1) обзор новейших публикаций научных исследований в области синтеза криосорбентов и полимер-глинистых композиционных материалов, очистка и подготовка исходных компонентов синтезируемых композиционных материалов;
2) синтез криогелевых и гелевых сорбентов на основе ионогенных - полиакриловой и полиакриловой кислот (ПАК, ПМАК) и неионогенных полимеров – полиакриламида и поливинилпирролидона (ПАА, ПВП), и их композиций с минеральным наполнителем – бентонитовой глиной (ПЛ-БГ) (бентонитовая глина Манракского месторождения Восточно-Казахстанской области);
3) установление физико-химических характеристик (плотность, зольность, выход гель-золь фракции, степень набухания) синтезированных криосорбентов, природы связывания и взаимодействия компонентов системы между собой, морфологической структуры синтезированных полимер-глинистых криогелей и гелей;
4) оценка сорбционно-десорбционных характеристик синтезированных композиционных сорбентов в отношении ионов тяжелых металлов и поверхностно-активными веществами (ПАВ) изучая влияние внешних (температура, рН, ионная сила) и внутренних факторов (состав, содержание сшивающего агента) на сорбционные и десорбционные свойства криосорбентов;
5) проведение лабораторных испытаний сорбентов в отношении модельных и промышленных образцов сточных вод, содержащих смеси ионов тяжелых металлов и ПАВ, рассмотрение возможности использования сорбентов для получения фильтров бытового назначения.
Основные члены проекта
Кайралапова Гульфайруз Жумабаевна
ORCID ID: https://orcid.org/0000-0001-7393-1760 кандидат химических наук, старший преподаватель, Казахский национальный университет им. аль-Фараби, г. Алматы;
Иминова Ризвангуль Синясулкызы
ORCID ID: https://orcid.org/0000-0002-7841-7995 PhD, доцент, Казахский национальный университет имени Аль-Фараби, г. Алматы;
Кудайбергенова Батес Маликовна
ORCID ID: https://orcid.org/0000-0002-6881-6765 PhD, доцент, Казахский национальный университет имени Аль-Фараби, г. Алматы;
Аманжолқызы Арайлым
ORCID ID: https://orcid.org/0000-0003-4052-1436 докторант, Казахский национальный университет им. аль-Фараби, г. Алматы;
Баймырза Перизат
ORCID ID: https://orcid.org/0000-0001-7390-0390 магистрант, Казахский национальный университет им. аль-Фараби, г. Алматы;
Аскар Қален Бахтиярқызы
ORCID ID: https://orcid.org/0000-0002-5623-0046 магистрант, Казахский национальный университет им. аль-Фараби, г. Алматы;
И
спользуемые методы
Органо-минеральные композиционные сорбенты будут синтезированы радикальной интеркалятивной полимеризацией «in situ» раствора мономера в водной среде с включенной дисперсией бентонитовой глины разной концентрации с использованием соответствующего сшивающего агента и инициатора. Содержание бентонитовой глины варьируется в пределах 1-10 масс. % от веса мономера. Криогели будут получены посредством криогенной обработки в пределах – 20-30 0С при оптимальных времени, скорости замораживания и оттаивания композиций с бентонитовой глиной.
В научных исследованиях будут использованы методы ИК- и УФ-спектроскопии, рентгено-структурного, элементного анализа, сканирующей электронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии, атомно-адсорбционной микроскопии, равновесного набухания, сорбции-десорбции.
Выполнение научных исследований будет производиться с применением следующего оборудования: ИК-спектрометра «Satelitte» FTIR Mattson (США), спектрофотометра «СФ-26» (Россия), сканирующего электронного микроскопа JEOL JSM-6380A (Япония), анализатора TA.XT.plus (Texture Analyser) (Великобритания), XR-дифрактометра D8 Advance Bruker aXs (Германия), дифракционно-спектрального анализатора «ДФС» и рентгенно-фазового анализатора «ДРОН-4-07», ротационного вискозиметра Brookfield DV-II+PRO №_М/03-165, “UGO Basile” 21025 Hot Plate, Рlethysmometer “UGO Basile”, иономера И-160 МИ (Россия), атомно-силового и атомно-адсорбционного микроскопов – Ntegra Therma (Россия).
Оценка сорбционной способности разработанных глинистых композиционных материалов и криогелей будет осуществляться посредством проведения лабораторных испытаний с модельными растворами солей металлов и ПАВ, а также с промышленными образцами сточных вод с регионов страны, будет рассмотрена возможность формирования гелевых фильтров для очистки воды.
Полученные данные будут обработаны и оформлены с помощью компьютерных программ, таких как Origin, ChemDraw, Excel.
Ожидаемые результаты
1. В результате проведения научных исследований будут разработаны новые композиционные материалы, которые в дальнейшем могут быть использованы в качестве сорбентов для решения важнейших задач фундаментального и прикладного характера – очистки сточных вод и создания на их основе природоохранных, ресурсосберегающих технологий в области разработки прогрессивных методов их получения, совершенствования процессов промышленного производства и расширения ассортимента.
2. Целевыми потребителями полученных сорбентов предполагается металлургическая промышленность, природоохранные организации, химическая промышленность, предприятия по производству моющих средств.
3. Возможности для прорывных результатов, содержащих риски; влияние на развитие науки и технологий. Полученные результаты могут служить основой для разработки технологии получения и проведения эффективной очистки промышленных и сточных вод от присутствующих зарязнений, в частности от остатков моющих средств и ионов тяжелых металлов.
4. Распространение результатов работ среди потенциальных пользователей, сообщества ученых и широкой общественности будет осуществляться за счет патентования полученных результатов, публикации статей в научных изданиях и участия на конференциях.
Достигнутые результаты
1. синтезированы новые композиционные криогелевые и гелевые сорбенты на основе ионогенных (ПАК, ПМАК) и неионогенных полимеров (ПАА, ПВП), и их композиций с минеральным наполнителем – бентонитовой глиной Манракского месторождения Восточно-Казахстанской области (ПЛ-БГ);
2. установлены физико-химические характеристики полученных сорбентов (плотность, зольность, выход гель-золь фракции, набухающая способность, стимул-чувствительность, морфологическая структура, природа связывания компонентов композиции);
3. оценены сорбционно-десорбционные характеристики синтезированных композиционных сорбентов в отношении ионов тяжелых металлов и ПАВ.
проведены лабораторные испытания сорбентов в отношении модельных и промышленных образцов сточных вод, содержащих смеси ионов тяжелых металлов и ПАВ, рассмотрена возможность использования сорбентов для получения фильтров бытового назначения.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ПРОЕКТУ
Статьи в журналах Комитета по обеспечению качества в сфере образования и науки Министерства образования науки Республики Казахстан:
1. Bolatkyzy N., Iminova R.S., Kairalapova G.Zh., Kudaibergenova B.M., Zhumagalyeva Sh.N., Abilov Zh.A. Synthesis of Polyacrylamide-clay cryosorbents and study of their sorption properties // Известия научно-технического общества «КАХАК», 2020, № 1 (68) С.23-32
2. Сейтхан Г.С., Иминова Р.С. Пленочные материалы на основе некоторых неионогенных полимеров и глиносодержащие пленки//Известия научно-технического общества «КАХАК», 2020, № 2 (69) С.81-93.
3. Кайралапова Г. Ж., Иминова Р.С., Баймырза П. Синтез крисорбентов на основе полиакриловой кислоты для удаления ионов тяжелых металлов из сточных вод. // Сборник докладов и каталог xi межотраслевой конференции «вода в промышленности-2020», 27 октября 2020 г., г. Москва, ООО «ИНТЕХЭКО», С.67.
4. Иминова Р., Жапекова А., Баккара А., Головченко О., Мофа Н. Раработка гелевых композиции с агар-агар для лечебно-косметических препаратов. // Промышленность Казахстана, 2020, №3 (111). с. 71-74.
5. Kudaibergenova B.M., Saduakassova T.S., Orynbek B.Sh., Kairalapova G.Zh., Iminova R.S., Abilov Zh.A. Obtaining And Studying The Properties Of Gelatin Films Based On British Anise Extract // “Высшая школа Казахстана” 3/ 2021, С.227-234
6. Косжанова Г., Кудайбергенова Б.М., Кайралапова Г.Ж., Иминова Р.С. «Композициялық криогельдердің ЦПБ-мен әрекеттесу заңдылықтары» //Известие НАН РК, 2021
Статьи в международных журналах:
1. Sh.N. Zhumagaliyeva, R.S. Iminovа*, G.Zh. Kairalapova, B.M. Kudaybergenova, Zh.A. Abilov Sorption of Heavy Metal Ions by Composite Materials Based on Polycarboxylic Acids and Bentonite Clay // Eurasian Chem.-Technol. J. 23 (2021) 19‒27
Тезисы материалы конференций (ФИО докладчика подчеркнуто):
1. Кайралапова Г. Ж., Иминова Р.С., Баймырза П. Синтез крисорбентов на основе полиакриловой кислоты для удаления ионов тяжелых металлов из сточных вод. // Сборник докладов и каталог xi межотраслевой конференции «вода в промышленности-2020», 27 октября 2020 г., г. Москва, ООО «ИНТЕХЭКО», С.67.
2. Асқар Қ., Кайралапова Г., Иминова Р. Полиакрил қышқылдары негізіндегі ауыр металл иондарының криосорбенттерін синтездеу. // Международный научнопрактический журнал «Глобальная наука и инновация 2020: центральная азия». 2020 г., №5(10). с.45-49. г. Нур-Султан.
3. Bolatkyzy N., Iminova R.S. Synthesis of polyacrylamide-clay cryosorbents and study of their sorption properties // «Фараби Əлемі» атты студенттер мен жас ғалымдардың халықаралық конференциясы, Алматы, - 2020, С. 25
4. Serikbay F.T, Iminova R.S.Synthesis and study of the sorption properties of polyacrylamideclay gels with the inclusion of particles of magnetite // «Фараби Əлемі» атты студенттер мен жас ғалымдардың халықаралық конференциясы, Алматы, - 2020 С.32
5. Хасанова М.А., Əлиайдар Ұ.А., Кайралапова Г.Ж. Полиакрил - бентонит сазы - магнетит композициялық гелін синтездеу. // «Фараби Əлемі» атты студенттер мен жас ғалымдардың халықаралық конференциясы, Алматы, - 2020, с.79.
6. Aitkali P.E., Seyilkhan G., Iminova R.S. Development of technology of the film materials Obtaining based on pvp and bentonite clay. // «Фараби Əлемі» атты студенттер мен жас ғалымдардың халықаралық конференциясы, Алматы, - 2020, с.22.
7. Қайрушева Д.С., Қайралапова Г.Ж. Полиакрил қышқылы мен бентонит сазы негізінде криогельдерді синетездеу жəне оның сорбциялық қабілетін бағалау. // «Фараби Əлемі» атты студенттер мен жас ғалымдардың халықаралық конференциясы, Алматы, - 2020, с.190.
8. Кенжебай М.Ж., Əлиханов Т.Е., Алтаева А.М., Құдайбергенова Б.М. ПВС негізіндегі композициялық криогельдерін алу жəне қасиеттерін зерттеу. // «Фараби Əлемі» атты студенттер мен жас ғалымдардың халықаралық конференциясы, Алматы, - 2020, с.55.
9. Baimyrza P., G.Kairalapova, R.Iminova "Sorption of heavy metal ions by composite cryogels based on bentonite clay with ionic and nonionic polymer"//Международная Конференция Elsevier: "Sustainable Technology and Development Conference" 31 October-2 November, Shenzhen, China, 2021 [OP.15]
10. Қален Бахтиярқызы, Баймырза П.Ә., Кайралапова Г.Ж., Иминова Р.С. «Ионды және иондық емес полимерлер және бентонитті саз негізіндегі композитті криогельдермен ауыр металл иондарын сорбциялау» // Конференция XI международный Беремжановский съезд по химии и химической технологии, 19-20 ноября, г. Алматы, Казахстан
11. Kudaibergenova B.M., Koszhanova G., Kairalapova G.Zh., Iminova R.S. Study Of The Properties Of Compositions On The Basis Of Natural Polymers // Конференция XI международный Беремжановский съезд по химии и химической технологии 19-20 ноября, 2021 г. Алматы, Казахстан
Патенты
1. «Композиция для получения криогеля» // Патент РК 2022/0168.2, 22.07.2022, №7294 / Кайралапова Гульфайруз Жумабаевна, Иминова Ризвангуль Синясулкызы, Кудайбергенова Батес Маликовна, Кален Аскар, Баймырза Перизат, Жумагалиева Шынар Нурлановна
2. «Способ получения криогеля на основе синтетических полимеров и их композиций с бентонитовой глиной» // Патент РК 2022/0169.2 /Кайралапова Гульфайруз Жумабаевна; Иминова Ризвангуль Синясулкызы; Кудайбергенова Батес Маликовна; Кален Аскар; Баймырза Перизат; Абилов Жарылкасын Абдуахитович; Аманжолқызы Арайлым
Монографии
Kudaibergenova B.M., Kairalapova G.Zh, Iminova R.S. Chemistry and Technology of Surfactants
Потенциальным пользователям проекта:
Результаты проекта являются значительным вкладом в развитие теоретических представлений в области химии полимерных композиционных материалов и криоматериалов с глиной включают установление закономерностей комплексообразования глина-содержащих сорбентов, а также крио-сорбентов применением криогенной обработки с улучшенными физико-химическими и сорбционными характеристиками с возможностью их использования в качестве сорбентов для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов и ПАВ.