AP19678338 "Фундаментальные основы создания молекулярно-импринтированных полимеров из углеотходов"

Наименование темы научного проекта
AP19678338 «Фундаментальные основы создания молекулярно-импринтированных полимеров из углеотходов»
Период реализации – июль 2023 г. – декабрь 2025 г.

Актуальность
В последнее время разработка полимеров с молекулярным отпечатком стала одной из актуальных тем для исследователей. Современные исследования свидетельствуют о широких перспективах быстро развивающихся технологий молекулярного импринтинга для создания нового поколения сорбционных материалов. Привлекательность данного направления исследований состоит в том, что применение импринтированных полимеров не ограничивается научными исследованиями, они уже внедряются в химической, фармацевтической и биотехнологической промышленности, прежде всего на стадиях очистки конечного продукта. В связи с этим, создание молекулярно-импринтированных полимеров на основе природного полимера – гуминовых кислот и их использование в качестве высокоэффективных сорбентов для селективного удаления загрязняющих веществ является перспективным. Разрабатываемый способ получения импринтированных полимеров направлен на решение техногенных проблем очистки промышленных сточных вод от ионов тяжелых металлов.

Цель проекта
Целью настоящего проекта является разработка способа получения новых молекулярно-импринтированных полимеров из углеотходов, исследование их строения, структурно-морфологических особенностей и свойств.

Ожидаемые результаты
В результате реализации данного проекта ожидаются следующие результаты, имеющие инновационный характер:
1. будут разработаны новые молекулярно-импринтированные полимеры на основе гуминовых кислот с использованием методов молекулярного импринтинга и полимеризации для решения экологических проблем региона;
2. будут изучены состав и физико-химические свойства новых импринтированных полимеров и определены оптимальные параметры процессов получения;
3. будет изучено влияние ультразвукового облучения на процесс получения, физико-химические характеристики новых молекулярно-импринтированных полимеров, исследованы кинетические закономерности и механизм процессов получения;
4. будут изучены структурно-морфологические особенности и сорбционные свойства новых молекулярно-импринтированных полимеров и оценена их эффективность в качестве сорбентов для очистки сточных вод от тяжелых металлов.
5. будет решен ряд экологических проблем региона и ряд проблем комплексного использования природных ресурсов, в том числе, проблема дефицита сорбционных материалов для очистки сточных и сбросных вод региона от тяжелых металлов и органических загрязнителей.

Научный руководитель Проекта – Жакина Алма Хасеновна, кандидат химических наук, доцент ВАК. Индекс Хирша Жакиной А.Х. по базе данных Web of Science составляет 3, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5724-2279 , ResearcherID (Web of Science): AGH-2926-2022 , Author ID (Scopus): https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=24559696600 . Опыт работы по направлению: более 30 лет. Область исследования – углехимия, высокомолекулярные соединения, БАВ. Научно-исследовательская работа Жакиной А.Х. связана с поиском и созданием новых видов материалов многофункционального назначения на основе отходов угледобывающей, углеперерабатывающей и химической промышленности Центрального Казахстана. Автор более 250 печатных научных работ, из них 15 патентов РК.

Члены исследовательской группы:
1. Животова Т.С., д.х.н., главный научный сотрудник лаборатории химии полимеров. ORCID https://orcid.org/0000-0002-0793-4653
2. Рахимова Б.Б., к.х.н., ведущий научный сотрудник лаборатории химии полимеров. Заведующая кафедрой НАО «Медицинский университет Караганды». ORCID ttps://orcid.org/0000-0003-2662-536X
3. Василец Е.П., магистр, научный сотрудник лаборатории химии полимеров. ORCID https://orcid.org/0000-0003-2242-486X
4. Арнт О.В., магистр, научный сотрудник лаборатории химии полимеров. ORCID https://orcid.org/0000-0002-8996-4572
5. Әлжанқызы А., магистр, младший научный сотрудник лаборатории химии полимеров. ORCID https://orcid.org/0000-0001-5790-8659
6. Жакин А., магистр, младший научный сотрудник лаборатории химии полимеров. ORCID https://orcid.org/0000-0002-5940-7097

Задачи проекта на 2023 год
Разработка способов получения новых молекулярно-импринтированных полимеров на основе гуминовых кислот и целевых темплатов, исследование влияния различных факторов на процесс их получения, изучение их состава, структуры и физико-химических свойств.

Полученные результаты за 2023 год
1. Молекулярно-импринтированные полимеры (MIPs) получены путем сополимеризации природного и синтетического полимеров в присутствии специально введенных целевых молекул-темплатов, с использованием метода Molecular Imprinting. Синтез осуществляли следующим образом. На первом этапе получали предполимеризационный комплекс путем взаимодействия гуминовых кислот и молекулярного темплата. Далее реакционную смесь подвергали термической обработке при 60°С. В результате сополиконденсации предполимеризационного комплекса с сшивающим агентом получали сшитый полимер с жесткой структурой. После сополимеризации твердый продукт размельчался и из импринтированного полимера удалялся молекулярный темплат. В качестве исходных компонентов в составе MIPs использованы: природный полимер – гуминовые кислоты (ГК), выделенные из образцов окисленного угля Шубаркольского месторождения; синтетический полимер – поливиниловый спирт (ПВС); целевые молекулы-темплаты – Zn (II) и Pb (II). Синтез MIPs осуществляли при различных соотношениях исходных полимеров ГК:ПВС=1:1, 2:1, 5:1. В ходе исследования изучено влияние рН среды (рН = 3, 6, 9), температуры (Т = 60, 70, 80°С) и времени синтеза (t = 90, 120, 180 мин) на процесс получения MIPs. Найдены оптимальные параметры реакции. Выходы продуктов составили 60-80%. В идентичных условиях, но в отсутствие темплатов, получали неимпринтированные полимеры-сравнения. Контроль реакций осуществляли по содержанию кислородсодержащих групп с использованием обратного кондуктометрического титрования образцов.
2. Изучен состав, структура и физико-химические свойства новых молекулярно-импринтированных полимеров.
Состав, структура и физико-химические свойства новых молекулярно-импринтированных полимеров и неимпринтированных полимеров-сравнения доказаны современными физико-химическими методами: элементного анализа (с использованием элементного анализатора Elementar Unicube), ИК-спектроскопии (снятые на ИК-Фурье-спектрометре ФСМ-1201), кондуктометрии (снятые на кондуктометре Анион-4100), рентгенофазового анализа (с использованием рентгеновского дифрактометра D8 Advance Eco (Bruker, Germany), термического анализа. Морфология поверхности молекулярно-импринтированных полимеров и неимпринтированных полимеров-сравнения изучена с использованием растрового электронного микроскопа MIRA фирмы TESCAN. Установлено, что кислотный гидролиз молекулярно-импринтированных полимеров дает возможность получить поры, соответствующие ионному радиусу определенного металла. Методом рентгенофазового анализа доказано наличие металла и освобождение пор после кислотного гидролиза в полученных молекулярно-импринтированных полимерах. Термическую устойчивость полученных молекулярно-импринтированных полимеров до и после гидролиза исследовали с помощью ДТА анализа. Установлено, что удаление ионов металла существенно не повлияло на термическую устойчивость молекулярно-импринтированных полимеров. Сорбционные свойства молекулярно-импринтированных полимеров и неимпринтированных полимеров-сравнения оценивали после удаления темплатов из полимерной сетки.
Проведенные исследования показали, что предложенный метод Molecular Imprinting дает возможность получать новые молекулярно-импринтированные полимеры предварительно «настроенные» на селективное связывание и извлечение целевых металлов, и могут быть рекомендованы в качестве сорбционного материала.

Публикации за отчётный период:
1. Арнт О.В., Жакина А.Х., Василец Е.П., Әлжанкызы А. Перспективы создания молекулярно-импринтированных полимеров из углеотходов // Материалы LV Международной научно-практической конференции «Advances in Science and Technology». – Россия, Москва, 15 сентября 2023. – С. 21-22.
2. Жакина А.Х., Арнт О.В., Василец Е.П., Әлжанқызы А. Возможность создания молекулярно-импринтированных полимеров из углеотходов // Материалы Казахско-Узбекского симпозиума «Современные проблемы науки о полимерах». «Chemistry series». – Алматы, 12-13 октября 2023 года. – С. 61-62.