Ученые разработали новые ионогели на основе диоксида кремния

Химики из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН разработали новые ионогели на основе диоксида кремния и изучили их экстракционные характеристики. Результаты работы опубликованы в международном журнале Journal of Molecular Liquids.

 

Современная химическая технология немыслима без экстракционных процессов, которые позволяют выделять и разделять ценные химические соединения с использованием относительно простых технологических схем. Наиболее распространенной является жидкостная экстракция, в которой выделяемое соединение переходит из одной жидкости в другую, которая не смешивается с первой (например, из воды в октан). Для реализации жидкостной экстракции все чаще используют различные ионные жидкости – органические соли, находящиеся в расплавленном состоянии уже при комнатной температуре или при незначительном нагревании. Уникальность ионных жидкостей заключается и в том, что они практически нелетучи, а также термически и химически стабильны, что обеспечивает возможность их многократного повторного использования в экстракционных процессах.

 

При всех своих достоинствах экстрагенты на основе ионных жидкостей имеют и существенные недостатки – как правило, они частично смешиваются с экстракционным раствором. Учитывая, что ионные жидкости достаточно дороги и нередко токсичны, безвозвратные потери экстрагента невыгодны с экономической и экологической точек зрения. Эти проблемы можно в существенной степени решить, используя композитные материалы – ионогели, – в которых ионную жидкость заключают в пористый твердый носитель. Такое связывание ионных жидкостей существенно сокращает их потери при экстракции; кроме того, экстракция с использованием ионогелей проще в реализации. Благодаря этому, в настоящее время ионогели рассматривают в качестве перспективных материалов для разделения и концентрирования ценных органических и неорганических веществ. Для создания высокоэффективных ионогелей-экстрагентов необходимо понимать механизм экстракционных процессов с их участием. Удивительно, но в подавляющем большинстве соответствующих исследований авторы анализируют только одну составляющую ионогелей – ионную жидкость, а роль носителя остается «за скобками».

 

Именно на роли носителя в экстракционных процессах с участием ионогелей и сфокусировали свое исследование российские ученые. В качестве ионной жидкости они использовали широко распространенный и выпускаемый в промышленных масштабах экстрагент Aliquat 336 (хлорид тетраалкиламмония), а в качестве экстрагируемого и реэкстрагируемого модельного вещества – ионы трехвалентного железа.

 

Работу комментирует младший научный сотрудник ИОНХ РАН Котцов Сергей: «Мы провели масштабное исследование, в рамках которого предложили новый метод получения ионогелей и детально проанализировали закономерности экстракции железа ионогелями из водной фазы, а также последующей ре-экстракции железа из ионогелей в водную фазу. Синтез ионогелей проводили поликонденсацией органических соединений кремния непосредственно в ионной жидкости – такой метод прост и обеспечивает воспроизводимое получение прочных монолитных ионогелей. Мы показали, что твердофазный носитель в составе ионогелей играет очень существенную роль в экстракционных процессах. В частности, ионы железа способны с ним химически связываться, что может приводить к снижению эффективности экстракции. В то же время, правильный выбор химического состава носителя позволяет решить данную проблему, а также обеспечить эффективную последующую ре-экстракцию железа в водную фазу. При анализе циклической экстракции/ре-экстракции железа мы обнаружили неожиданный результат – быструю (за три цикла) потерю ионогелями экстракционной способности. Оказалось, что это происходит за счет образования в объеме ионогеля сульфата железа. Для его удаления оказалось достаточным выдержать ионогель в растворе хлорида натрия, при этом экстракционная эффективность материала полностью восстановилась.

 

Выполненное исследование наглядно показало, что процессы экстракции и реэкстракции с использованием ионогелей являются более сложными, чем аналогичные процессы с участием ионных жидкостей. Понимание процессов, происходящих в ионогелях во время экстракции и реэкстракции, необходимо для разработки эффективных, экологически чистых и технологически совершенных экстрагентов и экстракционных технологий с их участием.

Иллюстрация проверки экстракционных характеристик ионогеля.

Водный раствор находится в нижней части пробирок, ионогель — на его поверхности. Окраска обеспечивается растворимыми соединениями железа.

 

Работа поддержана Российским научным фондом (грант 23-73-00028).

 

Истоник: S.Y. Kottsov, A.A. Voshkin, A.E. Baranchikov, E.V. Fatyushina, A.V. Levina, A.O. Badulina, A.A. Arhipenko, M.E. Nikiforova, V.K. Ivanov. Aliquat 336@SiO₂ ionogels: Synthesis of, and insight into, iron(III) extraction mechanisms // J. Mol. Liq. 2024. 124354. DOI: 10.1016/j.molliq.2024.124354.