ВВЕДЕНИЕ

Изобретение относится к волокнистым сорбентам для удаления из воды и водных растворов ионов тяжелых металлов.

В настоящее время для удаления из воды ионов тяжелых металлов, таких как хром Cr(VI), медь Cu(II), свинец Pb(II), железо Fe(II) и Fe(III), применяются волокнистые сорбенты на основе модифицированного полиакрилонитрила (далее ПАН) и/или его сополимеров. Сорбция металлов в подобных сорбентах происходит за счет реакций ионного обмена и/или комплексообразования ионов металлов с функциональными группами сорбента. Известные в уровне техники сорбенты характеризуются невысокими сорбционными свойствами, а также неустойчивостью и непрочностью комплексов сорбента с ионами металлов, что может приводить к разрушению этих комплексов и десорбции токсичных ионов в очищенную воду. Кроме того сорбенты характеризуются низкими кинетическими показателями. Помимо этого большинство сорбентов обладают повышенной степенью набухания в воде, что затрудняет их применение в системах водоочистки.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известен волокнистый ионообменный сорбент на основе ПАН по патенту RU 2 101 306 (опубл. 10.01.1998, приор. 09.01.1992, C08J 5/20, заявитель Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна), предназначенный для сорбции реагентов из сточных вод и вентвыбросов.

Сорбент, согласно описанному способу, получен в две стадии и характеризуется следующими показателями:

- обменная емкость по хрому Cr(VI)— от З до 3,8 ммоль/г;

- обменная емкость по 0,1 н НС1— от 5,3 до 6,4 ммоль/г;

- прочность волокна— от 12,4 до 15,8 сН/текс.

Способ получения заключается в обработке ПАН на первой стадии 10 — 90- процентным щелочным раствором алкиленамина при температуре 70— 85 С в течение 30

- 60 минут и последующей промывке дистиллированной водой. На второй стадии волокно обрабатывают 10 — 30-процентным водным раствором диметилолэтиленмочевины (далее ДМЭМ) при температуре 75— 85 °С в течение 45— 60 минут, при модуле 30. Далее полученный сорбент промывают дистиллированной водой и сушат.

В качестве алкиленамина для обработки ПАН может быть использован полиэтиленполиамин (далее ПЭПА), тетраэтиленпентаамин (далее ТЭПА) или диэтилентриамин (далее ДЭТА).

Недостатком сорбента являются низкие значения обменной емкости. При дополнительной модификации ПАН ДМЭМ в структуре сорбента образуются циклические структуры, затрудняющие формирование хелатных комплексов с ионами металлов. Из описания патента очевидно, что карбоксильные группы и аминосодержащие цепочки расположены хаотично, в связи с чем не все карбоксильные и аминогруппы способны сформировать хелатные центры, а лишь расположенные в непосредственной близости друг к другу. Кроме этого сформированные в результате получения сорбента аминосодержащие цепочки представлены в виде разнородных структур различной длины и формы, что также негативно влияет на образование хелатных центров. Все вышесказанное объясняет низкие показатели сорбционной емкости (далее СЕ) и неустойчивость сорбента. Помимо этого, при получении сорбента применяют токсичные и мутагенные компоненты — ДМЭМ и ПЭПА. Известно, что ДМЭМ оказывает неблагоприятное воздействие на человека.

Из уровня техники известен анионообменный волокнистый сорбент по патенту BY 18091 (опубл. 28.02.2013, приор. 16.06.2011, C08J 5/20, D01F 11/04, заявитель Государственное научное учреждение «Институт физико-органической химии национальной академии Беларуси»). Сорбент на основе ПАН-волокна предназначен для очистки воздуха от кислых газов и для очистки воды, а также для использования в качестве основы для последующей модификации.

Сорбент получают в одну стадию. В патенте представлено два варианта способа получения.

Согласно первому варианту способа получения ПАН-волокно обрабатывают 40— 80-процентным водным раствором диметилдипропилентриамина (далее ДМДПТА), содержащим ДЭТА, при этом мольное соотношение ДЭТА:ПАН составляет 0,05:1. Обработку проводят при непрерывном перемешивании при температуре 115 ^° С в течение 10— 12 часов. После окончания обработки волокно промывают водой, затем 0,5 н водным раствором НС1, а затем водой— до отрицательной реакции на ион С1 . Далее полученный сорбент отжимают и сушат. При втором способе получения ПАН-волокно обрабатывают раствором ДМДПТА в этиленгликоле, с добавкой ДЭТА, мольное соотношение ДЭТА:ПАН составляет 0,05: 1. Обработку проводят при температуре 120 ^° С в течение 5 — 9 часов. По окончании обработки волокно промывают водой, потом 0,5 н водным раствором НС1 и далее водой— до отрицательной реакции на ион СГ, после чего отжимают и сушат.

Волокнистый сорбент имеет следующие характеристики:

- Статическая обменная емкость (далее СОЕ) COE _NH составляет от 1 ,67 до 6,17 мг-экв/г;

- СОЕсоон— от 0,13 до 0,63 мг-экв/г;

- набухание в воде— от 0,93 до 2,95 гНгО/г (от 93 до 295%).

Недостатком сорбента по патенту BY 18091 является низкое значение СОЕ по основным и кислотным группам. При этом невысокое содержание карбоксильных групп препятствует образованию прочных хелатных комплексов при сорбции ионов тяжелых металлов. Также это снижает способность сорбента к сорбции свободных катионов металлов. Помимо этого высокие показатели степени набухания сорбента в воде не подразумевают его использования в условиях динамической сорбции. Исходя из низких показателей СОЕ, приведенных в описании патента, можно предположить, что показатели динамической сорбции сорбента будут ниже в несколько раз. Кроме того этиленгликоль, используемый при получении сорбента, является токсичным веществом, в связи с этим производство сорбента является опасным и неэкологичным. Процесс производства сорбента, согласно предложенным способам получения, является длительным, трудоемким и затратным.

Известен сорбент по патенту RU 2 368 711 (опубл. 27.09.2009, приор. 03.03.2008, D01F 11/04, C08J 5/20, D01F 6/18, заявитель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет"). Сорбент представляет собой анионообменный волокнистый материал на основе ПАН-волокна и предназначен для сорбции ионов металлов, в частности хрома Cr(VI) из воды и водных растворов.

Сорбент получают двухстадийным способом, заключающимся в обработке волокна Нитрон 4-процентным водным раствором едкого натра NaOH при температуре 90 °С в течение 3 минут с последующей модификацией волокна в течение 1,5 — 3 часов при температуре 95 — 100 С в 5-процентном водном растворе диметилформамида (далее ДМФА), содержащем от 30 до 70% модифицирующего агента. Полученный волокнистый сорбент отжимают, промывают водой и сушат. В качестве модифицирующего агента используют смесь диэтаноламина и гексаметилендиамина (далее ГМ А). Содержание ГМДА в смеси составляет от 10 до 30%.

Сорбент характеризуется следующими свойствами:

Динамическая обменная емкость (далее ДОЕ) по хрому Cr(VI) из раствора бихромата калия К ₂ Сг ₂ 0 ₇ при рН 4,0— 120— 350 мг/г.

СОЕ по НС1— от 1,1 до 3,0 мг-экв/г.

Недостатком сорбента по патенту RU 2 368 711 является, в первую очередь, низкие сорбционная способность, а также ДОЕ сорбента, что является признаком неудовлетворительной рабочей емкости волокнистого сорбента. Низкие показатели ДОЕ и СОЕ обусловлены малым содержанием аминогрупп в молекуле ГМДА. Структура сорбента, представленная в описании патента, свидетельствует о наличии длинных аминосодержащих цепочек и о небольшом содержании карбоксильных групп. Данный факт указывает на то, что при сорбции ионов металлов распределение ионов происходит неупорядоченно, что препятствует образованию прочных хелатных комплексов, в связи с чем сорбированные ионы металлов способны десорбироваться из сорбента. Помимо этого при использовании модифицирующих агентов, предложенных в патенте, образуются неупорядоченные и различной длины цепочки амидиновых групп, что также затрудняет образование хелатных комплексов и снижает скорость сорбции. Проведение синтеза сорбента в водной среде при температуре ниже 100 °С не позволяет достичь необходимой степени конверсии из-за высокого энергетического барьера реакции нуклеофильного аминирования нитрильных групп ПАН. ДМФА, используемый для получения сорбента, является высокоопасным и токсичным веществом, обладает сильным раздражающим действием на слизистые оболочки и кожные покровы, а при попадании в организм повреждает печень и почки. Поэтому производство данного сорбента можно отнести к вредным и опасным.

Из уровня техники известен волокнистый ионообменный сорбент по патенту RU 2 531 829 (опубл. 27.10.2014, приор. 29.03.2013, B01D 39/16, D01F 11/04, C08J 5/20, B01J 20/26, заявитель ООО "Акватория" (RU)), предназначенный для удаления вирусов из воды и сорбции ионов металлов. Сорбент представляет собой волокнистый ионообменный материал, полученный щелочным гидролизом ПАН-волокна в присутствии аминосодержащих соединений, и характеризуется следующими показателями:

- анионообменная емкость— 0,9— 3,5 ммоль/г;

- катионообменная емкость— 0,9— 3,3 ммоль/г;

- СОЕ— 2,4— 4,7 ммоль/г; - pH изоэлектрической точки от 4,2 до 9,8;

- толщина волокна— 20 мкм.

В описании патента представлено несколько примеров способа получения сорбента. Способы получения отличаются продолжительностью модификации ПАН-волокна, составом модифицирующего раствора и концентрацией реагентов в составе модифицирующего раствора.

Способ получения заключается в обработке ПАН-волокна модифицирующим раствором при непрерывном перемешивании, в результате чего ПАН-волокно приобретает темно-красный/ярко-оранжевый/кра сно-коричневьш цвет. После этого волокно декантируют и промывают водой. Далее волокно несколько раз обрабатывают 0,1 М растворами гидроксида натрия NaOH и соляной кислоты НС1 с целью удаления остаточных реагентов. Полученное готовое волокно промывают водой и сушат.

Модифицирующий раствор в своей структуре содержит алифатические углеводородные фрагменты и не менее двух аминогрупп. И имеет следующий состав в зависимости от варианта способа получения:

- смесь этилендиамина (далее ЭДА) 2,5 моль/л и гидроксида натрия NaOH 1 моль/л на водной основе;

- смесь ЭДА 1 ,5 моль/л и гидроксида натрия NaOH 1 моль/л на водной основе;

- смесь ЭДА 2,5 моль/л и гидроксида натрия NaOH 0,5 моль/л на основе этиленгликоля и 5% воды;

- смесь ЭДА 1,5 моль/л и гидроксида натрия NaOH 0,5 моль/л на основе этиленгликоля и 5% воды;

- смесь ГМДА 2,5 моль/л и гидроксида натрия NaOH 0,5 моль/л на основе этиленгликоля и 5% воды.

Недостатком описанного сорбента являются низкие анионообменная и катионообменная емкости (СОЕ не более 4,7 ммоль/г) и, как очевидное следствие, слабая сорбционная способность к ионам тяжелых металлов. Данные характеристики сужают область применения сорбента, в частности в проточных системах очистки воды.

Известен сорбент по статье «Synthesis and characteristics of novel chelate fiber containing amine and amidine groups» / Dong Hun Shin, Young Gun Ко, Ung Su Choi, Woo Nyon Kim // Polymers for advanced technologies. - 2004. - 15, P. 459 - 466 на основе ПАН- волокна, модифицированного ЭДА, предназначенный для сорбции ионов Cu ²⁺ , Ag ⁺ , Zn ²⁺ , Ni ²⁺ и Pb ²⁺ . Для получения сорбента ПАН-волокно предварительно экстрагируют этанолом для удаления примесей, после чего сушат. ЭДА сушат при температуре 40 °С для удаления избытка воды. Сорбент получают одностадийным способом: обработкой ПАН-волокна ЭДА с добавлением А1С -6Н ₂ 0 при нагревании до ПО °С в течение 3 часов при непрерывном перемешивании. ЭДА является растворителем и модификатором ПАН- волокна. А1С1з-6Н ₂ 0 добавляют для повышения сорбционных свойств сорбента. После окончания модификации полученный сорбент промывают деионизированной водой, потом этанолом, после чего сушат при температуре 40 °С. Выход сорбента составляет 98%.

Свойства сорбента:

Суммарная СЕ сорбента 7,8 мг-экв/г;

Максимальная СЕ по Си ²⁺ — 3,21 ммоль/г при рН 3;

Максимальная СЕ по Ag ⁺ — 3,14 ммоль/г при рН 5,5-8;

Максимальная СЕ по Zn ²⁺ — 2,22 ммоль/г при рН 3,5-7;

Максимальная СЕ по Ni ²⁺ — 1,69 ммоль/г при рН 4-6;

Максимальная СЕ по РЬ ²⁺ — 0,93 ммоль/г при рН 4-6.

Недостатком настоящего сорбента является невысокая сорбционная способность. Сорбент является большей частью анионитом и практически не содержит катионообменных групп, что препятствует образованию хелатных комплексов с ионами металлов. Следовательно сорбция ионов металлов осуществляется преимущественно путем образования ионных или координационых связей между карбоксильными или аминогруппами, соответственно. Такие связи характеризуются низкой прочностью, что в результате может привести к десорбции сорбированных ионов металлов из сорбента. Вышесказанное также является подтверждением того, что сорбент имеет рыхлую неустойчивую структуру, так как, согласно приведенным в статье данным, отдельные волокна не связаны друг с другом межмолекулярными связями. В связи с этим сорбент имеет повышенную степень набухания в протонных и апротонных растворителях. Из этого следует, что сорбент не предназначен для использования в условиях динамической сорбции, например, в системах водоочистки, из-за низкой эффективности сорбции ионов, обусловленной высоким набуханием сорбента.

Из уровня техники известен сорбент на основе ПАН-волокна модифицированного ДЭТА по статье «Fourier transform infrared spectroscopy study of the effect of pH on anion and cation adsorption onto poly(acrylo-amidino diethylenediamine») / Young Gun Ко, Ung Su Choi, Yong Sung Park, Je Wan Woo // Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry. - 2004. - Vol. 42. - P. 2010-2018. Сорбент предназначен для сорбции ионов Сг0 ₄ ² , Р0 ₄ ³ , Си ²⁺ , Ni ²⁺ , Fe ²⁺ , Ag\

Характеристики сорбента:

Суммарная СЕ сорбента— 11 ,4 мг-экв/г;

СЕ по Сг0 ₄ ^2" - 5,7 ммоль/г при рН 1,02;

СЕ по Р0 ³ - 3,8 ммоль/г при рН 2,89;

СЕ по Ag ⁺ - 5,1 ммоль/г;

СЕ по Си ²⁺ - 4,49 ммоль/г;

СЕ по Fe ²⁺ - 3,76 ммоль/г;

СЕ по Ni ²⁺ - 3,76 ммоль/г.

Сорбционную емкость определяли следующим образом. Сорбент выдерживали в растворе, содержащем ионы Сг0 ₄ ² , Р0 ₄ ³ , Cu ²⁺ , Ni ²⁺ , Fe ²⁺ , Ag ⁺ в количестве 10 ммоль в течение 24 часов при периодическом перемешивании. Затем методом обратного титрования был получен раствор сорбированных сорбентом ионов, после чего состав сорбированных ионов был идентифицирован на ИК-Фурье-спектрометре.

Сорбент получен следующим способом. ПАН-волокно экстрагируют этанолом при комнатной температуре с целью удаления примесей и сушат. ДЭТА сушат при температуре 40 °С для удаления связанной воды. После этого ПАН-волокно (6 г) модифицируют ДЭТА (500 г) с добавкой А1С1з-6Н ₂ 0 (20 г) при температуре 80— 170 °С в течение 3 часов при непрерывном перемешивании. ДЭТА является растворителем и модифицирующим агентом, а А1С1з-6Н ₂ 0 добавляют для увеличения сорбционных свойств сорбента. После окончания модификации ПАН-волокно промывают дистиллированной водой и сушат при температуре 40 °С. Модифицированное ПАН-волокно представляет собой поли(акрило- амидино диэтилендиамин). Выход сорбента составляет 97,2%.

Сорбция С ² и Р0 ₄ ³ возможна только при низких и средних значениях рН.

Недостатком сорбента, описанного в данной статье, с учетом вышесказанного, является неустойчивость структуры сорбента, растворимость и высокое набухание в кислотных и щелочных средах, а также в протонных и апротонных растворителях. Следствием указанных недостатков является невысокая эффективность сорбции в условиях динамической сорбции ионов металлов, а, вероятно, и невозможность использования сорбента в проточных системах очистки воды. Основанием для данных выводов является прежде всего структура сорбента, представленная в статье. Помимо этого, сорбент представляет собой множество элементарных, не связанных друг с другом волокон ПАН, содержащих амидиновые группы. Также в сорбенте практически отсутствуют катионообменные группы. Из этого следует, во-первых, доказательство того, что волокна сорбента не связаны друг с другом посредством возможных межмолекулярных сшивок. Во-вторых, при сорбции ионов, как и описано в статье, образуются неустойчивые ионные или водородные связи между ионами тяжелых металлов и аминогруппами. В связи с этим сорбированный ион оказывается не прочно связан с сорбентом и способен десорбироваться. Особенно велика вероятность десорбции при перенасыщении сорбента сорбированными ионами, что приводит к переходу иона из сорбента в очищенную воду или водный раствор. В-третьих, повышенное набухание и, следовательно, рыхлая структура сорбента повышают риск проскока ионов через слой сорбента в очищенную воду, а также риск возникновения канальных эффектов, что не только снижает эффективность очистки, но и увеличивает вероятность неконтролируемого попадания тяжелых металлов в очищенную воду и в организм человека.

Известен сорбент на основе ПАН-волокна модифицированного ДЭТА для сорбции ионов свинца Pb(II), меди Cu(II), церия Ce(IV) и хрома Cr(IV) из воды и водных растворов по статье «Fabrication of chelating diethylenetriaminated PAN micro- and nanofibers for heavy metal removal» / Majid Abdouss, Ahmad Mousavi, Shoushtari, Aminoddin Haji, Behnam Moshref // Chemical Industry and Chemical Engineering Quarterly/ - 2012. - V. 18 (1). - P. 27- 34.

Сорбент получен следующим способом. На подготовительной стадии ПАН-волокно плотностью 3,3 дтекс, состоящее из 93,5% мономера акрилонитрила и 6,5% сополимера метакрилата, режут на отрезки длиной 7 см, промывают метилен хлоридом СН ₂ С1 ₂ , затем дистиллированной водой, после чего сушат. На следующей стадии подготовленное ПАН- волокно модифицируют водным раствором ДЭТА, состоящим из 20 мл ДЭТА и 40 мл дистиллированной воды, соотношение ПАН:раствор составляет 60:1. Модификацию проводят при нагревании и непрерывном перемешивании. Оптимальный режим модификации— температура 92 ^° С, продолжительность 8 часов. После этого раствор охлаждают до комнатной температуры и декантируют волокно. Далее волокно промывают ацетоном и дистиллированной водой, после чего сушат.

Характеристики сорбента:

СЕ по меди Cu(II) на примере сульфата меди CuS0 ₄ -5H ₂ 0— около 7 мг/г при рН 6;

СЕ по свинцу Pb(II) на примере нитрата свинца Pb(N0 ₃ ) ₂ — около 10 мг/г при рН 6;

СЕ по церию Ce(IV) на примере сульфата церия Ce(S0 ₄ ) ₂ -4H ₂ 0— около 9 мг/г при рН 6.

Сорбционную емкость сорбента по ионам Cu(II), Pb(II) и Ce(IV) определяют методом групповой обработки. Сорбент помещают в емкость с раствором, содержащим ионы металлов известной концентрации. Продолжительность обработки составляет 2 часа при температуре 25 ^° С и непрерывном перемешивании. После окончания обработки по изменению концентрации раствора определяют количество сорбированных ионов. Далее методом атомно-адсорбционной спектроскопии определяют количество сорбированных ионов каждого металла.

Недостатком сорбента, описанного в статье, являются, в первую очередь, низкие сорбционные емкости сорбента по ионам металлов. Причиной этого является проведение синтеза в водной среде при температуре менее 100 ^° С, что препятствует преодолению энергетического барьера при взаимодействии ДЭТА с нитрильными группами ПАН. Помимо этого, на основании анализа способа получения сорбента, приведенного в статье, а также на основании сорбционных способностей сорбента, можно сделать вывод о высоком содержании карбоксильных групп, превалирующем над содержанием функциональных групп, содержащих первичные аминогруппы. Из чего следует, что сорбент содержит мало анионообменных групп, отвечающих за формирование комплексов с ионами металлов и их сорбцию, и много катионообменных групп. Для специалиста в области техники будет очевидным, что данные выводы закономерны и следуют из способа получения, описанного в статье. А именно, указанное соотношение амино- и карбоксильных групп объясняется тем, что модификацию ПАН-волокна проводят водным раствором ДЭТА, где доля ДЭТА— модифицирующего агента очень мала. Высокое содержание воды в реакционной среде провоцирует гидролиз, причем ДЭТА в данном случае становится катализатором реакции гидролиза. В связи с чем в процессе модификации ПАН-волокна преобладающей реакцией является гидролиз, а не реакция аминирования под действием ДЭТА. Это объясняет высокое содержание карбоксильных групп. Из этого следует и большая продолжительность модификации (в способе, описанном в настоящей статье, она составляет 8 часов). Это объясняется тем, что основным процессом при модификации является гидролиз ПАН-волокна, который замедляет и затрудняет образование аминогрупп. С этим же связано проведение реакции модификации при невысокой температуре (оптимальная температура согласно описанию — 92 ^° С), но с высокой продолжительностью (8 часов). Это обосновано тем, что увеличение температуры приведет к полному гидролизу ПАН-волокна. Также выход конечного продукта— сорбента с заявленными характеристиками, получается низким из- за протекания гидролиза как основного процесса при реакции модификации. Помимо этого, согласно спектрам ИК-Фурье и их описанию, приведенным в статье, в полученном сорбенте практически отсутствуют C=N нитрильные группы, характерные для ПАН, из чего следует, что большая часть ПАН-волокон в ходе модификации ДЭТА прореагировала полностью на всю глубину волокна. Из этого следует, что сорбент имеет аморфную разрыхленную неустойчивую структуру, с высокой степенью набухания в воде и водных растворах. Очевидно, что данный сорбент, не может быть использован в условиях динамической сорбции. В связи с этим и вышесказанным можно утверждать, что аминогруппы в сорбенте данной структуры расположены хаотично, а следовательно, сформированные при сорбции ионов металлов, хелатные комплексы будут непрочными и неупорядоченными. Из-за хаотичного расположения функциональных групп резко снижается доля амино- и карбоксильных групп доступных к комплексообразованию с ионами металлов. Также следует отметить, что настоящий способ получения является экономически невыгодным, ввиду большой продолжительности реакции с низким выходом сорбента, обладающим низкими сорбционными емкостями по ионам металлов.

Из уровня техники известен сорбент по патенту RU 2 194 809 (опубл. 20.12.2002, приор. 26.12.2000, D01F 11/04, C08J 5/20, заявитель Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна) для селективной сорбции ионов хрома Cr(VI) и ртути Hg(I) из воды сложного солевого состава. Сорбент по патенту RU 2 194 809 выбран заявителем в качестве ближайшего аналога.

Сорбент представляет собой ионообменное волокно на основе ПАН, модифицированного ПЭПА и гидроксидом натрия NaOH в органическом растворителе. Соотношение в сорбенте аминогрупп (основных) к карбоксильным (кислотным) составляет 5:1. Сорбент, описанный в данном патенте, получают одностадийно, следующим способом. Волокно на основе тройного сополимера акрилонитрила фиксируют по длине в виде жгута и обрабатывают 10-процентным ПЭПА и 0,3- процентным гидроксидом натрия NaOH в растворителе. В качестве растворителя используют этиленгликоль или глицерин. Обработку волокна проводят в течение 85— 95 минут при температуре 150— 160 °С. После этого волокно отжимают и промывают обессоленной водой.

В патенте представлено двенадцать примеров сорбента, полученных по вышеописанному способу. Ниже представлены характеристики некоторых из них: Таблица 1. Характеристики сорбентов по патенту RU 2 194 809

Избирательная сорбционная способность сорбента по примеру 1 была определена в водном растворе солей FeCl ₃ - 5г/л, СаС1 ₂ - 5 г/л и Hg2(N0 ₃ )2 - 5 г/л, навеска сорбента 0,25 г, модуль— 100. СЕрез+— 1 мг/л, СЕса2 ₊ — 1 мг/л, CE _Hg+ — 1200 мг/л.

Избирательная сорбционная способность сорбента по примеру 4 была определена в водном растворе солей FeC - 5г/л, СаС1 ₂ - 5 г/л и К ₂ Сг ₂ 0 - 5 г/л, навеска сорбента 0,25 г, модуль— 50. CE _Fe 3+— 18 мг/л, СЕс _а 2 ₊ — 47 мг/л, СЕсгб ₊ — 316 мг/л.

Недостатком сорбента по патенту RU 2 194 809 являются невысокие значения анионообменной и катионообменной емкости, а также слабая способность сорбента к хелатообразованию. Одной из причин данных недостатков является использование ПЭПА в качестве модификатора ПАН-волокна. Известно, что ПЭПА представляет собой смесь этиленовых полиаминов, включающих ДЭТА, триэтилентетрамин (далее ТЭТА), тетраэтиленпентамин (далее ТЭПА) и их пиперазинсодержащие аналоги в различном соотношении. Каждый из перечисленных полиаминов обладает различной длиной цепи и структурой, а следовательно различной реакционной способностью к аминированию. Поэтому в результате модификации ПАН-волокна ПЭПА формируется сорбент с аминосодержащими цепочками различной длины и структуры, в том числе циклической. При этом аминосодержащие цепочки расположены хаотично и неупорядоченно на протяжении всей длины волокна и неравномерно по содержанию на каждом из волокон. Каждое из волокон сорбента может содержать разные виды аминосодержащих цепочек в различном количественном соотношении. В связи с этим расположение карбоксильных групп между аминосодержащими цепочками также неупорядоченно. Вышеописанное конформационное расположение функциональных групп препятствует образованию хелатных комплексов с ионами металлов, поскольку пространственно неравномерно расположенные карбоксильные и аминосодержащие группы различной длины и структуры не способны сформировать значительное количество хелатных центров, а следовательно и хелатных комплексов. Помимо вышеперечисленного на формирование хелатных центров отрицательно влияет высокая степень удаленности концевых аминогрупп друг от друга и от карбоксильных групп. Таким образом при сорбции сорбентом ионов тяжелых металлов, в основном, образуются только непрочные ионные связи с карбоксильными группами или координационные с доступными аминогруппами. Недостатком такой сорбции является, во-первых, непрочность и нестабильность таких связей с ионами, разрыв связи может быть спровоцирован перенасыщением сорбента ионами, использованием сорбента в условиях динамической сорбции, набуханием, разрыхлением и износом сорбента. Это приводит к десорбции и уносу ионов из фазы сорбента и переходу в фазу очищенной воды. Во-вторых, низкая способность сорбента к хелатообразованию резко снижает способность к сорбции ионов большинства переходных металлов и ионов комплексообразующих металлов, например, таких как медь, свинец, алюминий, таллий. В подтверждение этого, в патенте заявлено, что сорбент способен сорбировать исключительно узкий диапазон ионов тяжелых металлов, а именно только к ионы хрома Сг ⁶⁺ и ртути Hg ⁺ . Это подтверждает низкую способность сорбента к образованию хелатных комплексов, так как сорбция ионов хрома и ртути осуществляется путем образования координационных связей иона с аминогруппами. Также, как описано выше, сорбент не обладает избирательной сорбцией к полезным ионам, содержащимся в воде, таким как ионы кальция и магния. Известно, что ионы кальция и магния в воде, повышают качество воды и благотворно влияют на все живые организмы. При высоком содержании ионов кальция и/или магния и одновременно низком— ионов хрома и/или ртути в воде, возможно перенасыщение свободных аминогрупп сорбента сорбированными ионами кальция и/или магния, в связи с чем сорбент не сможет сорбировать ионы хрома и/или ртути из воды. Помимо этого, наличие циклических аминных комплексов в структуре сорбента снижает способность сорбента к сорбции ионов, так как реакции присоединения не характерны для циклических структур, что должно быть очевидно для специалиста в области техники. Кроме того, сорбент по патенту RU 2 194 809 хорошо сорбирует хром Cr(VI) только в области низких значений рН, резко снижая сорбцию в нейтральной области. Это делает сорбент пригодным для извлечения хрома Cr(VI) из гальванических растворов, но не позволяет использовать его для очистки питьевой воды.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей изобретения и техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является разработка нового устойчивого полиамфолитного сорбента с повышенной сорбционной способностью к ионам тяжелых металлов, характеризующегося высокими хелатообразующими свойствами и одновременно избирательностью к ионам кальция и магния, и обладающего пониженной степенью набухания в протонных и апротонных растворителях.

Поставленная задача и требуемый технический результат достигаются тем, что волокнистый полиамфолитный сорбент на основе ПАН, модифицированного алифатическим да-, олиго- или полиамином, представляет собой полимерную матрицу из филаментов с наружным ионообменным слоем из сшитых между собой межмолекулярными амидными сшивками трехмерных структур карбокси-Ν,Ν'- полиакриламидо-К,К'-ди(иминоэтан� �), доля которых составляет не менее 50% и не более 90% от общей массы филамента и которые содержат повторяющиеся сорбционные объемные хелатные центры из двух аминогрупп и одной карбоксильной группы, при этом ионообменный слой содержит от 2 до 5 ммоль/г сорбционных объемных хелатных центров, предпочтительное содержание составляет от 3 до 4 ммоль/г сорбционных объемных хелатных центров, содержание анионообменных групп составляет от 4 до 11 ммоль/г, а предпочтительное содержание анионообменных групп составляет от 6 до 9 ммоль/г, а содержание свободных катионообменных групп составляет от 0,5 до 5,0 ммоль/г и предпочтительно составляет от 1,5 до 3,0 ммоль/г, где соотношение аминогрупп с карбоксильными группами составляет не менее 3:1 и не более 6:1.

Краткое описание чертежей.

Фигура 1а. Структура сорбента из филаментов с наружным ионообменным слоем из сшитых между собой межмолекулярными амидными сшивками трехмерных структур карбокси- , '-полиакриламидо-К,М'-ди(иминоэта� �а), которые содержат повторяющиеся сорбционные объемные хелатные центры из двух аминогрупп и одной карбоксильной группы.

Фигура 16. Структура сорбента с ионами меди, сорбированными объемными хелатными центрами.

Заявляемый волокнистый полиамфолитный сорбент предназначен для сорбции из воды широкого спектра ионов тяжелых металлов, например хрома Сг(Ш) и Cr(VI), меди Cu(II), марганца Мп(П), железа Fe(II), кобальта Со(П), никеля Ni(II), цинка Zn(II), свинца РЬ(П), кадмия Cd(II), ртути Hg(I) и Hg(II), алюминия А1(Ш), церия Ce(IV), таллия Т1(1), мышьяка As(V), селена Se(IV) и Se(VI), перхлорат-иона С10 , цианид-иона CN ^" и других. Сорбент представляет собой упорядоченно разветвленную трехмерную сшитую полимерную матрицу из филаментов. Каждый филамент матрицы сорбента состоит из стержня в виде ПАН с наружным гелеобразным модифицированным ионообменным слоем. Ионообменный слой состоит из трехмерных структур карбокси-Ν,Ν'- полиакриламвдо-^К'-ди(иминоэтана) , которые составляют от 50 до 90% от общей массы филамента. При этом трехмерные структуры карбокси-Ы, '-полиакриламидо-К,> - ди(иминоэтана) содержат регулярно расположенные карбоксильные группы с короткими упорядоченными аминосодержащими цепочками. Аминосодержащие цепочки представлены звеньями М-{2-[(2-аминоэтил)амино]этил}-полиа криламида и N, N-6HC(2- аминоэтил)-полиакриламида, содержащихся в соотношении от 2: 1 до 4: 1 , соответственно. Звенья М-{2-[(2-аминоэтил)амино]этил}-полиа криламида и N, М-бис(2-аминоэтил)- полиакриламида расположены как в толщине ионообменного слоя, то есть формируют этот слой, так и на его поверхности. При этом карбоксильные группы как в слое, так и на его поверхности, упорядоченно чередуются с аминосодержащими цепочками. Помимо этого при помощи структур карбокси-Ы, '-полиакриламидо-Н, '-ди(иминоэтана), образованных отдельными концевыми аминогруппами и карбоксильными группами, все филаменты связаны друг с другом прочными ковалентными межмолекулярными амидными сшивками. Структуры карбокси- , '-полиакриламидо-М,К'-ди(иминоэта� �а) содержат регулярно повторяющиеся сорбционные объемные хелатные центры, сформированные двумя аминогруппами и одной карбоксильной группой. Источником аминогрупп, формирующих объемные хелатные центры, могут служить как первичные и вторичные аминогруппы трехмерных структур карбокси- , '-полиакриламидо-М,М'- ди(иминоэтана), сшивающие филаменты между собой, так и аминогруппы звеньев N-{2- [(2-аминоэтил)амино]этил}-полиакри ламида и N, Н-бис(2-аминоэтил)-полиакриламида . Объемные сорбционные хелатные центры формируются между двумя любыми, расположенными в непосредственной близости аминогруппами и одной карбоксильной группой. Помимо этого объемные хелатные центры формируются между аминогруппами и карбоксильными группами, расположенными и в центральном стержне, и в наружном слое. Ионообменный слой филамента содержит от 2 до 5 ммоль/г сорбционных объемных хелатных центров, предпочтительное содержание составляет от 3 до 4 ммоль/г сорбционных объемных хелатных центров. Конформационно выгодное и упорядоченное расположение карбоксильных групп и аминосодержащих цепочек, а следовательно, и организованное расположение карбоксильных и аминогрупп способствует формированию открытых и доступных к комплексообразованию с тяжелыми металлами объемных хелатных центров. Хелатные центры образуются между внешним слоем геля и/или внутренним слоем геля, и/или на поверхности центрального стержня и/или внутри центрального стержня одного филамента и/или соседних филаментов. В результате двухслойной структуры филаментов и многоярусного расположения хелатообразующих функциональных групп матрица представляет собой сильный анионо- и катионообменный сорбент с сформированными хелатные центрами, способными сорбировать ионы тяжелых металлов.

На фигуре 1а представлена структура сорбента из филаментов с наружным ионообменным слоем из сшитых между собой межмолекулярными амидными сшивками трехмерных структур карбокси-К, '-полиакриламидо-М, '-ди(иминоэтана), которые содержат повторяющиеся сорбционные объемные хелатные центры из двух аминогрупп и одной карбоксильной группы. Из фигуры 1а очевидно, что в структуре сорбента сформированы подготовленные и открытые к комплексообразованию с ионами тяжелых металлов объемные хелатные центры. На фигуре представлены лишь некоторые примеры формирования хелатных центров.

Следствием описанной выше структуры сорбента являются его высокие сорбционная и обменная емкости, ограниченная степень набухания в протонных и апротонных растворителях, а также избирательность по отношению к ионам тяжелых металлов в присутствии кальция и магния. В таблице 2 представлены характеристики заявляемого сорбента.

Таблица 2. Характеристики сорбента согласно изобретению

Волокнистый сорбент предназначен для использования в системах очистки воды и водных растворов, например, для очистки питьевой воды, сточных вод, в системах проточно-инжекционного концентрирования для аналитической химии, в химических сенсорах.

При использовании сорбента в системах очистки воды сорбент помещают в корпус фильтра, например в фильтрующий модуль, после чего пропускают через него исходную неочищенную воду, содержащую примеси тяжелых металлов, например хрома Cr(III) и Cr(VI), меди Cu(II), марганца Мп(П), железа Fe(II), кобальта Со(Н), никеля Ni(II), цинка Zn(II), свинца РЬ(П), кадмия Cd(II), ртути Hg(I) и Hg(II), алюминия А1(Ш), церия Ce(IV), таллия Т1(1), мышьяка As(V), селена Se(IV) и Se(VI), перхлорат-иона С10 ₄ , цианид-иона CN ^" и других, а также ионы кальция Са ²⁺ и магния Mg ² *. Неочищенная вода проходит через сорбент в условиях динамики— самотеком или под внешним давлением. При контакте сорбента с водой происходит его набухание, при этом степень набухания составляет не более 100%. Пониженному набуханию в воде способствует сшитая структура филаментов и сорбента вцелом, а также наличие прочного центрального стрежня в структуре филамента. Одновременно с набуханием сорбента активируются объемные хелатные центры филаментов, после чего происходит комплексообразование катионов тяжелых металлов с хелатных центрами. Сорбция катионов тяжелых металлов происходит мгновенно, что обусловлено сформированными в структуре сорбента хелатными центрами, регулярно расположенными в структуре филамента. Одна карбоксильная группа и две любые, расположенные в непосредственной близости, первичные и/или вторичные аминогруппы, составляющие хелатн й центр, связываются с катионом металла в прочный полициклический хелатный комплекс. Благодаря двухслойной структуре филаментов сорбента и многоярусного расположения объемных хелатных центров, хелатные комплексы с ионами металлов образуются на внешней поверхности ионообменного слоя филамента и/или внутри ионообменного слоя, и/или на поверхности центрального стержня и/или внутри центрального стержня и/или между ними одного волокна и/или соседних волокон. В связи с этим в структуре сорбента возникает возможность к формированию бесконечно большого количества хелатных комплексов. Высокое содержание хелатных центров и прочность связей с катионом металла внутри хелатных комплексов обусловливают устойчивость сорбента особенно в условиях динамической сорбции, и исключают возникновение десорбции сорбированных катионов металлов из сорбента в очищенную воду, например при перенасыщении сорбента сорбированными ионами тяжелых металлов. Одновременно с сорбцией катионов металлов и образованием с ними хелатных комплексов происходит сорбция анионов металлов. Сорбция анионов осуществляется путем их электростатического взаимодействия с аминогруппами звеньев -{2-[(2-аминоэтил)амино]этил}-полиак риламида и N, N-6HC(2- аминоэтил)-полиакриламида. При этом ионы кальция Са ²⁺ и магния Mg ² * не сорбируются сорбентом, обеспечивая селективное извлечение из воды токсичных примесей тяжелых металлов при сохранении общей минерализации воды. Вода на выходе из фильтрующего модуля, содержащего заявляемый сорбент, очищена от ионов тяжелых металлов и содержит при этом то же количество ионов кальция Са ²⁺ и магния Mg ^2* , которое содержалось в исходной неочищенной воде до фильтрации.

На фигуре 16 представлена структура сорбента с ионами меди, сорбированными объемными хелатными центрами. Из фигуры 16 видно, что хелатные комплексы с ионами меди образуются между карбоксильной группой и двумя первичными аминогруппами N, К-бис(2-аминоэтил)-полиакриламида , между карбоксильной группой, одной первичной, и одной вторичной аминогруппами -{2-[(2-аминоэтил)амино]этил}-полиак риламида и между карбоксильной группой и двумя вторичными аминогруппами карбокси-Ν,Ν'- полиакриламидо- , '-ди(иминоэтана). На фигуре представлены лишь некоторые примеры формирования хелатных комплексов.

Способ получения сорбента заключается в модификации ПАН-волокна алифатическим ди-, олиго- или полиамином в смеси протонного и апротонного растворителей с последующей обработкой ПАН-волокна раствором гидроксида и/или карбоната натрия. Доля апротонного растворителя может составлять от 0 до 5% от массы протонного растворителя.

Получение сорбента может быть произведено в одну или несколько стадий общей продолжительностью от 100 до 300 минут.

В качестве ПАН-волокна может быть использовано волокно на основе сополимеров акрилонитрила с содержанием полиакрилонитрильных звеньев не менее 80% и толщиной элементарного волокна от 0,2 до 20 мкм.

В качестве модификатора ПАН-волокна может быть использован любой алифатический ди-, олиго- или полиамин, например, ЭДА, ДЭТА, ТЭПА или полиэтиленимин.

В качестве апротонного растворителя может быть использован диметилформамид, ДМСО или диметилацетамид.

В качестве протонного растворителя может быть использован любой многоатомный спирт, например, глицерин, пропиленгликоль или смесь многоатомного спирта с водой. Раствор гидроксида и/или карбоната натрия может быть водным, водноспиртовым или спиртовым.

При модификации ПАН-волокна, например ДЭТА в смеси, например глицерина с ДМСО, происходит набухание ПАН-волокна под воздействием ДМСО с последующим формированием амино содержащих звеньев -{2-[(2-аминоэтил)амино]этил}- полиакрил амида и N, Н-бис(2-аминоэтил)-полиакриламида . При взаимодействии ПАН- волокна с ДМСО в среде глицерина происходит частичное разрыхление наружного слоя волокна, что дополнительно открывает доступ ДЭТА как источника аминогрупп к нитрильным группам ПАН-волокна. При этом глубина конверсии нитрильных групп ПАН-волокна составляет не менее 50%. Таким образом формируются филаменты с наружным гелеобразным ионообменным слоем, состоящим из модифицированного ПАН, и центральный стержень в виде исходного, не вступившего в реакцию, ПАН. На данном этапе гелеобразный слой состоит из звеньев -{2-[(2-аминоэтил)амино]этил}- полиакриламида и N, -бис(2-аминоэтил)-полиакриламида. При взаимодействии полученного промежуточного продукта, например, с водным раствором гидроксида натрия, происходит формирование карбоксильных групп и в ионообменном слое, и на поверхности стержня филамента. Одновременно с этим формируются межмолекулярные ковалентные амидные сшивки между отдельными концевыми первичными аминогруппами звеньев и карбоксильными группами макромолекул филамента. Аминогруппы и карбоксильные группы могут быть расположены внутри и/или на поверхности ионообменного слоя. Таким образом формируются трехмерные структуры карбокси- , '-полиакриламидо-К, '-ди(иминоэтана), связанные между собой межмолекулярными амидными сшивками. При этом от 30 до 80% звеньев N-{2-[(2- аминоэтил)амино] этил } -полиакриламида и N, Н-бис(2-аминоэтил)-полиакриламида и карбоксильных групп находится в свободном состоянии и образуют хелатные центры. Другая часть звеньев и карбоксильных групп связана ковалентными межмолекулярными амидными сшивками. Одновременно с формированием трехмерных структур карбокси- , '-полиакриламидо-К,М'-ди(иминоэта� �а) на них формируются организованные объемные хелатные центры, состоящие из двух аминогрупп и одной карбоксильной группы. Хелатные центры формируют как аминогруппы звеньев N-{2-[(2- аминоэтил)амино]этил} -полиакриламида и N, 1Ч-бис(2-аминоэтил)-полиакриламид� �, так и аминогруппы трехмерных структур карбокси- ,М'-полиакриламидо- ,М'-ди(иминоэтана) с карбоксильными группами. В результате способа, описанного выше, получают сорбент, представляющий собой полимерную матрицу из филаментов, состоящих из наружного ионообменного слоя из сшитых между собой межмолекулярными амидными сшивками трехмерных структур карбокси-М,М'-полиакриламидо-М,К'- ди(иминоэтана), доля которых составляет не менее 50% и не более 90% от общей массы филамента и, которые содержат повторяющиеся сорбционные объемные хелатные центры из двух аминогрупп и одной карбоксильной группы.

Ниже приведены примеры сорбента, полученные по описанному выше способу.

Пример 1.

Основа— ПАН-волокно из сополимера акрилонитрила (87,1%) и винилацетата (12,9%), толщиной 13 мкм, модифицировано ДЭТА в среде глицерина в присутствии гидроксида натрия NaOH.

Характеристики сорбента:

Содержание карбокси- , '-полиакриламидо- , '-ди(иминоэтана) — 70% от массы филамента.

Содержание сорбционных хелатных центров - 3,5 ммоль/г;

COEHCI - 7,6 ммоль/г;

COE _Na oH - 2,2 ммоль/г;

СЕ по Cu(II) - 3,8 ммоль/г;

СЕ по РЬ(П) - 1,65 ммоль/г;

СЕ по Cr(VI) - 4,8 ммоль/г (при рН 6,5— 7,0); 9,2 ммоль/г (при рН 3,5— 4,5);

Коэффициенты разделения при сорбции ионов меди Cu(II) и свинца Pb(II) на фоне стократного избытка кальция: К Cu/Ca = 10 ⁴ , К Pb/Ca = 10 ³ .

Пример 2.

Основа— ПАН-волокно из сополимера акрилонитрила (85%) и винилацетата (15%), толщиной 15 мкм, модифицировано ТЭТА в среде пропиленгликоля и ДМСО в присутствии карбоната натрия.

Характеристики сорбента:

Содержание карбокси-М,М'-полиакриламидо-^К'-д и(иминоэтана) — 80% от массы филамента.

Содержание сорбционных хелатных центров - 4,3 ммоль/г;

COEHCI— 9,2 ммоль/г;

СОЕ аон— 2,5 ммоль/г;

СЕ по Cu(II)— 4,6 ммоль/г;

СЕ по РЬ(И)— 1,70 ммоль/г;

СЕ по Cr(VI)— 5,2 ммоль/г (при рН 6,5— 7,0); 10,8 ммоль/г (при рН 3,5— 4,5); Коэффициенты разделения при сорбции ионов меди Cu(II) и свинца РЬ(П) на фоне стократного избытка кальция: К Cu/Ca = 10 ⁵ , К Pb/Ca = 10 ⁴ .

Пример 3.

Основа— ПАН-волокно из сополимера акрилонитрила (90%) с винилацетатом (10%), толщиной 11 мкм, модифицировано полиэтиленимином в среде пропиленгликоля и ДМСО.

Характеристики сорбента:

Содержание карбокси-Н,М'-полиакриламидо-К,К'- ди(иминоэтана) — 90% от массы филамента.

Содержание сорбционных хелатных центров - 5 ммоль/г;

СОЕна— П,0 ммоль/г;

СОЕыаон— 3,7 ммоль/г;

СЕ по Cu(II)— 4,8 ммоль/г;

СЕ по Pb(II)— 1,80 ммоль/г;

СЕ по Cr(VI)— 6,5 ммоль/г (при рН 6,5— 7,0); 12,1 ммоль/г (при рН 3,5— 4,5);

СЕ по As(V) - 0,35 ммоль/г;

Коэффициенты разделения при сорбции ионов меди Cu(II) и свинца Pb(II) на фоне стократного избытка кальция: К Cu/Ca = 10 ⁵ , К Pb/Ca = 10 ⁴ .

По сравнению с сорбентами, известными в уровне техники, в том числе с наиболее близким аналогом RU 2 194 809, заявленный сорбент характеризуется высоким содержанием как анионообменных, так и катионообменных групп. Сорбент характеризуется высокими показателями сорбционной активности одновременно и к катионам, и к анионам металлов и представляет собой сильный анионит и катионит. Исходя из приведенных в уровне техники данных, СЕ заявленного сорбента по Cr(VI) превышает СЕ по Cr(VI) ближайшего аналога в 2 раза. В ближайшем аналоге определение СЕ проводили при низких значениях рН воды 3,5— 4,5 и СЕ по Cr(VI) составляет не более 344 мг/г (или 6,6 ммоль/г). Специалисту в области техники известна прямая зависимость сорбции от уровня рН воды, то есть наивысшие показатели СЕ сорбента проявляются в кислой среде при низких значениях рН, а с увеличением рН до нормальных условий (в данном случае, условия питьевой воды, рН 6,5 — 7,0) сорбционная способность сорбента резко снижается. СЕ заявленного сорбента исследовали при стандартных условиях питьевой воды (рН 6,5— 7,0) и СЕ по Cr(VI) составляет от 4,5 до 6,5 ммоль/г. При исследовании СЕ заявленного сорбента в кислых условиях рН 3,5— 4,5 воды СЕ по Cr(VI) составляет от 500 до 700 мг/г (или от 9 до 13 ммоль/г). Помимо этого, как видно из таблицы 2, сорбент в отличие от аналогов обладает способностью к сорбции ионов мышьяка As(V). В отличие от сорбентов, известных в уровне техники, и в том числе от ближайшего аналога, сорбция ионов тяжелых металлов осуществляется хелатными центрами с образованием прочных полидентантных хелатных комплексов с ионами металлов. При этом известные в уровне техники сорбенты сорбируют ионы путем образования ионных или координационных связей между ионом и карбоксильной группой или аминогруппой, соответственно. Известно, что ионные и координационные связи являются непрочными и неустойчивыми. Разрыв таких связей может быть спровоцирован перенасыщением сорбента ионами, использованием сорбента в условиях динамической сорбции (в системах очистки воды), набуханием, разрыхлением и износом сорбента. Это приводит к десорбции и уносу ионов из фазы сорбента и переходу в фазу очищенной воды. Хелатные комплексы, образующиеся при сорбции ионов металлов заявляемым сорбентом, характеризуются высокой устойчивостью и прочностью связей внутри комплекса. Поэтому в заявляемом сорбенте исключена вероятность разрыва связей внутри хелатного комплекса и возможность десорбции иона из фазы сорбента в фазу очищенной жидкости. Помимо этого, хелатные центры сорбента характеризуются высокой скоростью комплексообразования с ионом металла— формирования хелатных комплексов, то есть при попадании воды в сорбент происходит моментальное связывание иона тяжелого металла хелатным центром. Также сорбент отличается от существующих аналогов тем, что все карбоксильные и аминогруппы сорбента формируют открытые и доступные к комплексообразованию с ионами металлов организованные хелатные центры сорбента. В структуре сорбента возникает возможность к формированию бесконечно большого количества хелатных комплексов. Высокое содержание и регулярное расположение хелатных центров на каждом филаменте сорбента обеспечивает высокую сорбцию ионов металлов. Вышеописанные преимущества перед известными в уровне техники сорбентами, в том числе перед ближайшим аналогом, исключают риск проскока иона в условиях динамической фильтрации через слой сорбента в очищенную воду и, как следствие, неконтролируемое попадание ионов тяжелых металлов в очищенную воду. А также позволяют использовать заявляемый сорбент в условиях повышенного загрязнения ионами тяжелых металлов, как в форме катионов, так и в форме анионов металлов.

Более того, благодаря высокому содержанию хелатных центров в филаментах сорбента, регулярному расположению функциональных групп в совокупности с определенной и равной длиной аминосодержащих цепочек, формирующих внутреннюю сферу хелата, сорбент избирательно сорбирует тяжелые металлы на фоне избытка ионов кальция Ca ²⁺ и магния Mg ² *, благотворно влияющих на качество питьевой воды. Так как хелатные центры не способны образовывать связи с катионами Са ²⁺ и магния Mg ² *. Как видно из приведенных выше примеров заявленного сорбента, коэффициенты разделения при сорбции ионов меди Cu(II) и свинца Pb(II) на фоне стократного избытка кальция составляют К Cu/Ca = 10 ⁴ — 10 ⁵ , К Pb/Ca = 10 ³ — 10 ⁴ . Сорбент ближайшего аналога, согласно приведенным в патенте данным и характеристикам, не обладает селективной сорбцией к ионам кальция Са ²⁺ и магния Mg ² *. Соответственно использование сорбента по патенту RU 2 194 809 нежелательно для питьевой воды, так как вода, не содержащая полезных минералов, таких как кальций и магний, неблагоприятно воздействует на организм человека.

Кроме этого сорбент, в отличие от ближайшего аналога по патенту RU 2 194 809 обладает сшитой структурой, а также двухслойной структурой филаментов, упрочняющейся внутренним стержнем из ПАН. Благодаря этому сорбент характеризуется отличительной низкой степенью набухания в протонных и апротонных растворителях. Филаменты сорбента и сорбент в целом обладает упругостью и прочностью. Благодаря этим свойствам отсутствует риск расслоения и слеживания сорбента при набухании в слое воды. Соответственно, отсутствует вероятность неконтролируемого проскока ионов металлов через слой сорбента в очищенную воду, а также возникновения канальных эффектов, которые приводят к прохождению воды через слой сорбента при отсутствии сорбции ионов металлов сорбентом, с последующим попаданием ионов металлов в очищенную воду. В связи с этим, сорбент с заявленными характеристиками может применяться в условиях динамической сорбции, в том числе в проточных системах очистки воды.

К довершению всего, с учетом вышесказанного, сорбент характеризуется высокой устойчивостью. В условиях сорбции при перенасыщении сорбента ионами металлов исключается вероятность десорбции ионов из сорбента и попадание этих ионов тяжелых металлов в очищенную воду. Хелатные комплексы сорбента с ионами металлов являются прочными и не разрушаются с течением времени использования сорбента.

Таким образом, в отличии от известных в уровне техники волокнистых полиамфолитных сорбентов, заявленный сорбент сочетает в себе одновременно высокие сорбционные способности по катионам и анионам металлов, устойчивость и прочность структуры, пониженное набухание в протонных и апротонных растворителях, селективность к сорбции тяжелых металлов на фоне избытка ионов кальция и магния, а также характеризуется высокой скоростью сорбции ионов тяжелых металлов. В настоящем описании изобретения представлен предпочтительный вариант осуществления изобретения. В нем могут быть сделаны изменения, в пределах заявляемой формулы, что дает возможность его широкого использования.