Структурообразование, свойства и применение смешанных водных растворов желатина с гуматом и поливинилпирролидоном (стр. 2 )

Отмечено, что на прочность, водостойкость и нерастворимость пленок влияет рН смеси. При рН смеси выше 8 образуются растворимые в воде и хрупкие пленки. При снижении рН смеси до 5-6 пленки приобретают высокую прочность, водостойкость, щелоче - и кислотостойкость, что важно при их эксплуатации как сорбентов.

Проведено изучение сорбционной способности желатин-гуматных и желатин - нитрогуматных пленок разного состава по поглощению ионов Cu(II), Ni (II) и Pb(II) из водных растворов их солей концентрации 0,025 моль/л через сутки. Результаты исследования отражены в таблице 2 и на рисунке 2. Как видно, поликомплексы желатина с гуматом обладают достаточной сорбционной емкостью по отношению к ионам металлов.

Полученные величины СОЕ желатин-гуматных комплексов, в основном, сравнимы с аддитивными значениями. Нитрогруппа в составе гумата увеличивает его сорбционную активность в среде желатина для всех составов в 1,2-2,0 раза. Повышенная сорбция нитропроизводных в сравнении с гуматом обусловлена проявлением комплексообразующих свойств введенных атомов азота нитрогрупп.

Таблица 2 - Cорбция ионов металлов на желатин-гуматных и нитрогуматных комплексах разного состава

Желатин : гумат, объем. %	СОЕ, мг-экв/г
Cu2+	Ni2+	Pb2+
ГК	НГК	ГК	НГК	ГК	НГК
100:0	0,13	0,25	0,38	0,38	1,00	0,50
90:10	0,38	0,75	0,75	0,88	1,25	1,50
60:40	1,00	1,75	1,00	1,38	1,50	1,88
50:50	1,25	2,00	1,13	1,63	1,63	2,13
40:60	1,75	2,63	1,38	2,25	1,88	2,53
10:90	2,25	2,83	1,75	2,63	2,13	2,60
0:100	2,38	3,13	2,00	2,75	2,37	3,03

*- [Me2+] - 0,025 моль/л, Т:Ж = 1:250, 20оС, 1 сут

Для поликомплексов, содержащих нитрогумат, обнаружен синергетический эффект повышения сорбционной способности по ионам металлов в сравнении с аддитивными данными для исходных смесей (рисунок 2), наиболее выраженный для ионов меди. Синергетический эффект связан с равномерным распределением гумата в желатиновой сетке и стерической доступностью реакционных центров. Полученные поликомплексы представят интерес как водостойкие и прочные сорбенты в процессах водоочистки и водоподготовки.

Рисунок 2 – Зависимость сорбционной емкости поликомплексов желатин –нитрогумат по ионам меди (а) и свинца (б) от состава исходной смеси

Исследовано набухающее поведение полученных желатин-гуматных и желатин-нитрогуматных пленок. Отмечена высокая степень набухания пленок

(240 % для гуматных и 520% - для нитрогуматных пленок). Набухшие пленки способны длительное время удерживать в своей массе до 30-40% воды, что улучшает эластичные свойства пленок и снижает их горючесть. То есть, новые поликомплексы желатина с гуматом относятся к сорбционным материалам с пониженной горючестью. Отмечена также способность пленок сорбировать нефтепродукты. Нефтеемкость составляет 2-3 г нефти /г сорбента.

3.3 Установление закономерностей процесса структурообразования в смешанных растворах желатина с гуматом и поливинилпирролидоном. Исследование гидродинамических и реологических свойств полученных студней

Изучены условия образования однородных структурирующихся смешанных комплексов и влияние синтетического и природного полимеров на гидродинамические свойства разбавленных растворов и реологию желатина, старение и набухание концентрированных смешанных систем.

Процесс образования гелей желатина с гуматом и поливинилпирролидоном изучен в интервале концентрации желатина и модификатора - 15-50 объем.% гумата (4–20 мол. %), рН желатина изменяли в интервале 3 - 9, в котором происходит конформационный переход макромолекул желатина, сопровождающийся изменением их формы и гидродинамических свойств. рН желатина является определяющим фактором процесса структурообразования. Условия образования однородных смешанных систем и критерий совместимости смешиваемых компонентов устанавливали по форме кривых «состав-вязкость». Процесс формирования пространственных структур, наличие явлений ассоциаций и структурирования в разбавленных смешанных системах изучены кинетически по изменению величин относительной вязкости и предельного напряжения сдвига при различных рН и составах смесей. Показано, что вязкость разбавленных растворов и прочность концентрированных систем желатины и его смесей с гуматом или ПВП закономерно увеличивается во времени, достигая максимального значения к 4 суткам. Предельное значение прочности, время его достижения зависит от рН смеси и состава. На рисунке 3 представлены кинетические кривые предельного напряжения сдвига при рН равном 5 в зависимости от состава смеси.

Рисунок 3 - Изменение прочности 7% студней желатин – гумат натрия во времени при рН 5 для различного содержания гумата натрия в смеси, объем. %: 1 –0; 2 – 15; 3 –25; 4 – 50.

Процесс протекает с различной скоростью в зависимости от содержания гумата натрия и ПВП в смеси. Установлено, что образование студней идет в два этапа: на первом - в системе практически не обнаруживается прочность, а на втором достигает максимального значения к 3-4 суткам. Определение времени структурирования также может служить мерой упорядочения и прочности трёхмерной сетки студня. Влияние концентрации гумата натрия и ПВП в смеси на время структурирования определяли при ранее выбранных соотношениях полимеров. Для установления влияния концентрации растворов на скорость структурирования, исследования провели для концентраций 7% и 10%.

Определение времени структурирования смесей разных концентраций показало, что процесс структурообразования идёт тем быстрее, чем выше концентрация смеси. Найдено, что критическая концентрация структурирования смеси выше, чем у желатины и ниже, чем у ПВП и гумата натрия. Наибольшее время структурирования наблюдалось при содержании гумата натрия и ПВП в смеси, равным 50 %. Увеличение содержания гумата натрия и ПВП в смеси приводит к замедлению процесса формирования пространственной структуры (таблица 3). Наименьшее время структурирования системы наблюдалось в изоэлектрическом состоянии желатины, наибольшее с рН 3.

Таблица 3– Зависимость времени структурирования 7% смешанных водных систем желатина с ПВП и гуматом натрия от состава и рН, t = 20°C

желатина-гумат (желатин-ПВП), объем.. %	Время структурирования, τ, мин, при рН:
желатин-ПВП	желатин-гумат натрия
3	5	3	5	9
100:0	38	25	38	25	30
85:15	60	41	41	28	33
75:25	74	50	43	30	35
50:50	109	76	48	35	40

Одним из важнейших факторов, влияющих на процесс структурообразования гелей, является рН среды. Как видно, максимальная прочность гелей (рисунок 4) и минимальная вязкость растворов (рисунок 5) наблюдаются в изоэлектрической точке (рН 5,0).

Рисунок 4 - Изменение прочности 7% студня желатин-гумат от рН для разного времени выдержки студня

Рисунок 5 - Зависимость относительной вязкости 0,5 % смешанных систем желатин-гумат натрия состава 85:15 (масс.%) от рН для различных времени выдержки

Минимум вязкости наблюдается вблизи изоэлектрической точки при рН 5, когда все положительные и отрицательные заряды скомпенсированы, создаются благоприятные условия для компактизации макромолекул смеси, что приводит к снижению вязкости их растворов. Более высокие значения вязкости систем желатин-гумат натрия в кислотной и щелочной средах обусловлены увеличением асимметрии макромолекул из-за отталкивания одноименных заряженных групп.

Одним из важных свойств, определяющих экономическую и технологическую целесообразность использования различных студней полимеров является их прочность и гидродинамические свойства разбавленных растворов.

Изучили влияние концентрации, состава смеси, рН на гидродинамические и реологические характеристики смешанных систем. Исследования относительной вязкости (таблица 4), предельного напряжения сдвига (таблица 5) и температур плавления (таблица 6) показали, что эти параметры зависят от объемного соотношения желатина и гумата натрия, желатины и ПВП.