Получение гидрогелей технических лигнинов

Методами потенциометрического титрования, ИК-спектроскопии, твердофазной ЯМР-спектроскопии ¹³С и химического анализа исследовано гелеобразование технических лигнинов (окисленного гидролизного, сульфатного, натронного и лигносульфонатов) и лигнина Пеппера при взаимодействии с солями металлов: CaCl₂, Mg(NO₃)₂,FeSO₄, Co(NO₃)₂, Pb(NO₃)₂, Fe(NO₃)₃, CuSO₄, AgNO₃. Установлено, что способностью к гелеобразованию обладают соединения, представляющие собой соли слабого основания и сильной кислоты; катион металла имеет стандартный потенциал выше определенного значения, обладает умеренной способностью к гидролизу, а гидроксид катиона, образующийся в реакции гидролиза, имеет относительно низкую растворимость. При формировании геля образуется соединение состава R–COO–Me^z+–OOC–R z = 2,3. Предложена схема межмолекулярных связей в точке образования гидрогеля лигнина, в соответствии с которой смежные молекулы лигнина связываются между собой тремя типами связей: ионной между карбоксильными группами лигнина и катионами металла, координационной между катионами металла и молекулами воды, входящими в координационную сферу; и водородными, связывающими все компоненты системы в единое целое. Гидрогели лигнина обладают высокой сорбционной способностью по отношению к тяжелым металлам, таким как свинец, железо и медь, составляющей в зависимости от содержания кислых групп в лигнине и молярной массы сорбата ~ 25–50% от массы лигнина. Это открывает возможность использовать новый вид гидрогелей лигнина для очистки сточных вод химических предприятий.

1. Баркан Я.Г. Органическая химия. М.: Высшая школа, 1973.

2. Глинка Н.Л. Общая химия. Л.: Химия, 1980.

3. Никольский Б.П. (ред.) Справочник химика. Т. III. М.; Л.: Химия, 1965.

4. Albert A., Sergent E. Ionization constants of acids and bases. New York: Wiley, 1962.

5. Baes C.F., Mesmer R.E. The hydrolysis of cations. Wiley-Interscience, New York, 1976.

6. Berlin M., Balakshin M. Industrial lignins, analysis, properties and applications, chapter 18 in Bioenergy Research: Advances and Applications. 2014. Р. 315–336.

7. Evstigneyev E., Maiyorova H., Platonov A. Lignin functionalization and the alkaline delignification rate // Tappi J. 1992. No. 75 (5). P. 177–182.

8. Evstigneyev E.I. Oxidation of hydrolysis lignin with hydrogen peroxide in acid solutions // Russian Journal of Applied Chemistry. 2013. No. 86 (2). P. 258–265.

9. Evstigneyev E.I., Shevchenko S.M. Lignin valorization and cleavage of arylether bonds in chemical processing of wood: a mini-review // Wood Science and Technology. 2020. No. 54 (4). P. 787–820.

10. Evstigneyev E.I., Yuzikhin O.S., Gurinov A.A., Ivanov A. A.Yu., Artamonova T.O., Khodorkovskiy M.A., Bessonova E.A., Vasilyev A.V. Study of structure of Industrial acid hydrolysis lignin, oxidized in the H2O2–H2SO4 system // J. Wood Chemistry and Technology. 2016. No. 36 (4). P. 259–269.

11. Flory P.J. Principles of polymer chemistry. Cornell University Press. Ithaca, New York. 1953.

12. Gellerstedt G. Chemistry of Pulp Bleaching. In: Lignin and lignans. Advances in chemistry / C. Heitner, D.R. Dimmel, J.A. Schmidt (eds.) // Boca Raton: CRC Press. 2010. P. 393–438.

13. Hepzi Pramila Devamani R., Alagar M. Synthesis and characterisation of copper II hydroxide nano particles // Nano Biomed. Eng. 2013. No. 5 (3). P. 116–120.

14. Hepzi Pramila Devamani R., Alagar M. Synthesis and characterization of lead (II) hydroxide nanoparticles // Int. Journal of Applied Sciences and Engineering Research. 2012. No. 1(3). P. 483–487.

15. Hulanicky A., Masson M.R. Reactions of acids and bases in analytical chemistry. E. Horwood . New York. 1987.

16. Ji X., Zhang Z., Chen J., Yang G., Chen H., Lucia L.A. Synthesis and characterization of alkali lignin-based hydrogels from ionic liquids // BioResources. 2017. No. 12 (3). Р. 5395–5406.

17. Jiang P., Sheng X., Yu S., Li H., Lu J., Zhou J., Wang H. Preparation and characterization of thermo-sensitive gel with phenolated alkali lignin // Scientific Reports. 2018. No. 8:14450. P. 1–10.

18. Khan S., Ullah A., Ullah K., Rehman N. Insight into hydrogels. Designed Monomers and Polymers // 2016. No. 19 (5). P. 456–478.

19. Larrañeta E., Imízcoz M., Toh J.X., Irwin N.J., Ripolin A., Perminova A., Domínguez-Robles J., Rodríguez A., Donnelly R.F. Synthesis and characterization of lignin hydrogels for potential applications as drug eluting antimicrobial coatings for medical materials // ACS Sustainable Chem. Eng. 2018. No. 6. P. 9037−9046.

20. Li F., Wang X., Yuan T., Sun R. A lignosulfonate-modified graphene hydrogel with ultrahigh adsorption capacity for Pb (ii) removal. J // Mater. Chem. 2016. A 4. P. 11888–11896.

21. Mansson P. Quantitative determination of phenolic and total hydroxyl groups in lignins // Holzforschung. 1983. No. 37 (3). P. 143–146.

22. Musilová L., Mráček A., Kovalcik A., Smolka A., Minařík A., Humpolíček P., Vícha R., Ponížil P. Hyaluronan hydro-gels modified by glycinated kraft lignin: morphology, swelling, viscoelastic properties and biocompatibility // Carbohydr Polym. 2018. No. 181. P. 394–403.

23. Nakamoto K. Infrared spectra of inorganic and coordination compounds. Wiley-Interscience; 2nd edition. New York; London. 1970.

24. Pepper J.M., Baylis P.E.T., Adler E. The isolation and properties of lignins obtained by the acidolysis of spruce and aspen woods in dioxane-water medium // Canadian Journal of Chemistry. 1959. No. 37 (7). P. 1241–1248.

25. Pretsch E., Bühlmann P., Badertscher M. Structure determination of organic compounds. Tables of spectral data. Springer, 2009.

26. Ragnar M., Lindgren C.T., Nilvebrant N.O. pKa of guaiacyl and syringyl phenols related to lignin // J. Wood Chem. Technol. 2000. No. 20 (3). P. 277–305.

27. Ravishankar K., Venkatesan M., Preeth Desingh R., Mahalingam A., Sadhasivam B., Subramaniyam R., Dhamodharan R. Biocompatible hydrogels of chitosan-alkali lignin for potential wound healing applications. Mater Sci Eng C. 2019. No. 102. P. 447–457.

28. Richens D.T. The Chemistry of aqua ions: synthesis, structure and reactivity: A tour through the Periodic table of the elements. John Wiley & Sons, 1997.

29. Rico-García D., Ruiz-Rubio L., Pérez-Alvarez L., Hernández-Olmos S.L., Guerrero-Ramírez G.L., Vilas-Vilela J.L. Lignin-Based Hydrogels: Synthesis and Applications // Polymers. 2020. No. 12 (1). P. 81–104.

30. Sun Y., Ma Y., Fang G., Li S., Fu Y. Synthesis of acid hydrolysis lignin-g-poly-(acrylic acid) hydrogel superabsorbent composites and adsorption of lead ions // Bio-Resources. 2016. No. 11. P. 5731–5742.

31. Swadźba‐Kwaśny M. Lead: Inorganic Chemistry. In: Encyclopedia of Inorganic and Bioinorganic Chemistry by Mohan S. Bharara and David A. Atwood. John Wiley & Sons, 2015.

32. Thakur S., Govender P.P., Mamo M.A., Tamulevicius S., Mishra Y.K., Thakur V.K. Progress in lignin hydrogels and nanocomposites for water purification: Future perspectives // Vacuum. 2017. No. 146. P. 342–355.

33. Wang Y., Xiong Y., Sun F.-L., Yang Y.-Q., Zhang X.-D. Ultrasonic-assisted synthesis of a superabsorbent composite hydrogel for the responsive and removal properties of Pb (II) // Acta Phys. Chim. Sin. 2016. No. 32. P. 2563–2573.

34. Yao Q., Xie J., Liu J., Kang H., Liu Y. Adsorption of lead ions using a modified lignin hydrogel // J. Polym. Res. 2014. No. 21. P. 465–481.

35. Zakis G.F. Functional analysis of lignins and their derivatives. Atlanta, GA: TAPPI Press, 1994.