Ионогенные свойства природных полиэлектролитов и их производных тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

/

На правах рукописи

БРАТСКАЯ СВЕТЛАНА ЮРЬЕВНА

ИОНОГЕННЫЕ СВОЙСТВА ПРИРОДНЫХ ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТОВ И ИХ

ПРОИЗВОДНЫХ

Специальность 02.00.04 - физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора химических наук

Владивосток - 2009

003476534

Работа выполнена в Институте химии Дальневосточного отделения Российской академии наук

Научный консультант: член-корреспондент РАН

Авраменко Валентин Александрович

Официальные оппоненты: д.х.н., профессор

Варламов Валерий Петрович

д.х.н., профессор Усьяров Олег Георгиевич

д.х.н.

Тищеико Павел Яковлевич

Ведущая организация: ГЕОХИ им. В.И. Вернадского

Защита состоится « 1 » октября 2009 г. в 10°° часов на заседании диссертационного совета Д 005.020.01 при Институте химии Дальневосточного отделения РАН по адресу: 690022, г. Владивосток, проспект 100-летия Владивостока, 159, Институт химии ДВО РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Дальневосточного отделения РАН.

Д,

Автореферат разослан « /Г» августа_2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат химических наук

Бровкина О.В.

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ1

Современный интерес к природным полиэлектролитам выходит далеко за пределы фундаментальных исследований, связанных с углублением понимания их роли в био- и геохимических процессах. Уникальность строения и функциональное разнообразие в сочетании с биосовместимостыо, биоразлагаемостью, экологической безопасностью и возможностью направленной химической модификации открывают практически безграничные возможности применения природных полиэлектролитов в катализе, медицине и биоинженерии, текстильной и бумажной промышленности, процессах извлечения, разделения и концентрирования ионов металлов и органических веществ, а также других областях науки и технологии.

Важной особенностью природных полиэлектролитов является их структурная гетерогенность, обусловленная присутствием нескольких типов функциональных групп, различной степенью разветвленное™ макромолекул, изменчивостью соотношения и взаимного расположения звеньев в гетерополимерах, широким мо-лекулярно-массовым распределением и особенностями конформационных состояний. Широко применяемая в настоящее время химическая модификация природных полимеров, направленная на повышение комплексообразующей и сорбцион-пой способности, усиление биологической активности, изменение фазового поведения в растворах, также вносит дополнительный вклад в структурную гетерогенность. Следствием сложного строения и взаимного влияиия функциональных групп в макромолекулах природных полиэлектролитов и их производных является непрерывность изменения ионогенных свойств, которая не может быть описана с применением широко распространенных методов, основанных на представлении о

1 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ: АСМ - атомно-силовая микроскопия, АЦ - анионный центр, БС - бислой (в мультислойных покрытиях), ВЭЖХ - высокоэффективная жидкостная хроматография, ГВ - гуминовые вещества, ГК -гуминовые кислоты, ДДС - додецилсульфат натрия, ИСЭ - ион-селективный электрод, ИФГ - ионогепные функциональные группы, КЭХ — N - (2 - к ар б о к с и эти л) хи-тозан, ПАВ - поверхностно-активное вещество, ПГМА - полиглицидилметакрилат, ПДАДМАХ - полидиаллилдиметиламмоний хлорид, ПСМА - сополимер стирола и малеинового ангидрида, ПЭК - полиэлектролитный комплекс, ПЭМА - сополимер этилена и малеинового ангидрида, РФЭС - рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, СЗ - степень замещения, ФК - фульвовые кислоты, ЧАЭС - Чернобыльская атомная электростанция, D-оптическая плотность, pi - изозлектриче-ская точка.

дискретности констант равновесий. Наиболее корректным подходом является применение непрерывных моделей ионных равновесий, позволяющих охарактеризовать кислотно-основные и комплексообразующие свойства высокомолекулярных полифункциональных объектов без использования предварительной информации о составе и введения ограничений на модель ионных равновесий.

Несмотря на имеющийся опыт применения непрерывных моделей для описания кислотно-основных свойств высокомолекулярных полифункциональных объектов, задача описания равновесий комплексообразования с учетом кислотно-основных свойств полимерного лиганда, т.е. процесса конкурентного взаимодействия протонов и ионов металла с лигандом, в рамках непрерывных моделей остается нерешенной. Принимая во внимание исключительно важную роль ионных взаимодействий в растворах и на границах раздела фаз, очевидна актуальность разработки корректных подходов к количественному анализу кислотно-основных и комплек-сообразующих свойств природных полиэлектролитов и их производных с учетом фактора структурной гетерогенности и использования полученной информации для установления корреляций «структура - физико-химические свойства - эффективность в технологических процессах», оптимизации условий синтеза и применения природных полимеров в качестве ионитов, сорбентов, флокулянтов и других материалов специального назначения.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ заключалась в разработке и верификации нового подхода к анализу ионных равновесий в растворах полиэлектролитов с учетом фактора структурной и энергетической гетерогенности - непрерывной обобщенной модели ионных равновесий; а также в установлении закономерностей влияния структурных особенностей ряда природных полиэлектролитов и их производных на эффективность разделения фаз в дисперсных системах и направленной модификации поверхностных свойств материалов.

Для достижения поставленной цели решались следующие НАУЧНЫЕ ЗАДАЧИ:

- Верификация методов расчета непрерывных спектров констант кислотно-основных равновесий (рК-спектроскопии) и равновесий комплексообразования (рРмь-спектроскопии) в модельных системах низкомолекулярных веществ и системах, численно сгенерированных с применением имитационного моделирования.

- Применение обобщенной модели ионных равновесий (рК- и рРмь-спектроскопии) к исследованию свойств функциональных производных хитозана -Н-(2-карбоксиэтил) хитозанов (КЭХ) и установление корреляции между степенью

замещения (СЗ), кислотно-основными, коллоидными и комплексообразующими свойствами КЭХ.

- Установление закономерностей влияния кислотно-основных свойств и мо-лекулярно-массового распределения гуминовых веществ (ГВ) на стехиометрию образования полиэлектролитных комплексов (ПЭК) с поликатионами и эффективность удаления ГВ в процессах водоподготовки.

- Исследование эффективности процессов извлечения гидрофобных загрязняющих веществ с применением хитозана, его гидрофобно модифицированных производных и флокулирующих композиций на их основе.

- Установление влияния СЗ и разветвленной структуры амилопектина на коллоидные свойства и адсорбционное поведение высококатионных крахмалов. Оптимизация СЗ катионных крахмалов для применения в качестве флокулянтов и связующих агентов в системах удерживания наполнителей на поверхности целлюлозных волокон.

- Применение хитозана, его производных и их ПЭК с каррагинанами для получения функциональных покрытий, биомедицинского назначения, предотвращающих бактериальную адгезию.

ДОСТОВЕРНОСТЬ полученных результатов обеспечена применением совокупности взаимодополняющих физико-химических методов исследования (ВЭЖХ, атом-но-абсорбционной спектроскопии, РФЭС, 'Н ЯМР, фотон-корреляционной спектроскопии, электрокинетического анализа поверхности, АСМ, эллипсометрии, лазерного электрофореза, коллоидного и потенциометрического титрования), а также непротиворечивостью выводов работы современным представлениям о структуре и свойствах природных полиэлектролитов и их поведении в растворах и на границах раздела фаз. НАУЧНАЯ НОВИЗНА

- Предложен и экспериментально обоснован новый подход к исследованию протолитических и комплексообразующих свойств полиэлектролитов в рамках непрерывной обобщенной модели, позволяющей рассчитывать непрерывные спектры констант ионных равновесий без предварительной информации о составе системы.

- Введен новый принцип получения и обработки экспериментальных данных комплексометрического потенциометрического титрования полимерных лигандов с использованием двух индикаторных электродов - рН-электрода и ион-селективного электрода (ИСЭ), что позволяет существенно расширить возможности метода при исследовании комплексов с log(KML)>7.

- Доказана возможность использования обобщенной модели ионных равновесий для установления корреляции между СЗ, структурной гетерогенностью, кислотно-основными, комплексообразующими и коллоидными свойствами функциональных производных природных полиэлектролитов. Для КЭХ с диапазоном СЗ 0.5-1.6 установлено влияние гетерогенности мономерного состава производных на характер рК- и рРмь-спектров и механизмы координации ионов Си2+. Показано, что с использованием предложенной непрерывной модели ионных равновесий возможен расчет ЗБ диаграмм вкладов высокоаффинных и низкоаффинных центров в связывание ионов металлов в пространстве рН/рМ.

- Впервые исследованы флокулирующие свойства, сорбция на целлюлозном волокне и эффективность катионных крахмалов со степенью замещения до 1.54 в системах удерживания наполнителей, применяемых в бумажной промышленности. Установлено влияние разветвленной структуры амилопектина на доступность катионных центров при взаимодействии с анионными полиэлектролитами, эффективность разделения фаз в дисперсиях минеральных наполнителей и особенности адсорбционного поведения крахмалов на противоположно заряженной поверхности.

- Оптимизированы условия получения ковалентно привитых покрытий хито-зана с использованием якорных слоев полимеров, содержащих эпокси- и ангидридные группы, исследованы характеристики покрытий, определена степень вовлеченности аминогрупп хитозана в ковалентное связывание. Исследованы особенности экспоненциального типа роста мультислойных полиэлектролитных пленок хи-тозан/каррагинан в зависимости от рН, солевого состава, типа и конформации кар-рагинана. Установлена зависимость между способом получения хитозан-содержащих покрытий, гидрофильностью, электрокинетическими свойствами поверхности и эффективностью предотвращения бактериальной адгезии. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ

Предложенная обобщенная модель ионных равновесий может быть использована для расчета констант связывания ионов металлов в геохимических моделях, оценки биодоступности и токсичности ионов тяжелых металлов, возможности использования природных и синтетических высокомолекулярных веществ в качестве детоксикантов и реагентов для извлечения ионов металлов из техногенных сточных вод.

Установлен оптимальный диапазон степени карбоксиэтилирования хитоза-нов для применения в качестве флокулянтов и хелатирующих флокулянтов. Уста-

4

новлен ряд практически важных закономерностей влияния плотности ИФГ, моле-кулярно-массового распределения, степени гидрофобного замещения природных полиэлектролитов на стехиометрию образования ПЭК и механизмы извлечения гидрофобных загрязняющих веществ и полимерных латексов. Определен оптимальный диапазон СЗ высококатионных крахмалов для применения в качестве флокулянтов и связующих веществ.

На основе проведенных исследований предложены новые способы повышения эффективности процессов водоподготовки (патент РФ № 2253625) и переработки сточных вод, содержащих гидрофобные загрязняющие вещества (патенты РФ № 2288771, № 2279405) с применением хитозана, его гидрофобно модифицированных производных и флокулирующих композиций на их основе. Получены санитарно-эпидемиологические заключения о соответствии флокулянтов «Инстаф-лок» (ТУ-№ 2163-008-02698192-2004) и «Хитофлок» (ТУ-№ 2163-007-026981922005) санитарным правилам СанПиН 2.1.4.1074-01 для применения в питьевом водоснабжении, технология водоподготовки с флокулянтами на основе хитозана была внедрена на ряде предприятий Приморского края.

На предприятиях «ДальРАО» (г. Владивосток) и «КнААПО» (г. Комсомольск-на-Амуре) с положительным результатом проведены испытания способа удаления эмульгированных нефтепродуктов с применением хитозана и гидрофоби-зированных фильтрующих материалов. По результатам испытаний на ЧАЭС получено положительное заключение об эффективности использования флокулирующих композиций на основе хитозана для удаления из сточных вод латексных пыле-подавителей и альфа-излучателей.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ. ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

- Непрерывная обобщенная модель ионных равновесий и ее верификация. Новый подход к исследованию равновесий комплексообразования в растворах полиэлектролитов методом комплексометрического потенциометрического титрования с двумя индикаторными электродами - ИСЭ и рН-электродом.

- Корреляция между СЗ, структурной гетерогенностью, протолитическими, комплексообразующими и коллоидными свойствами карбоксиэтилированных производных хитозана в рамках непрерывной модели ионных равновесий.

- Совокупность закономерностей влияния структурных особенностей природных полиэлектролитов (вариабельности кислотно-основных свойств, молеку-лярно-массового распределения, степени функционализации, степени разветвленное™) на стехиометрию образования ПЭК, адсорбционное поведение и флокули-

рующие свойства в системах - ГВ/катионные флокулянты; высококатионные крахмалы/наполнители/целлюлозные волокна; эмульсии масло-в-воде и дисперсии ла-тексных частиц.

- Закономерности экспоненциального типа роста полизлектролитных муль-тислоев хитозан/каррагинан в зависимости от pH, солевого состава, структуры и конформации каррагинана. Зависимость эффективности предотвращения бактериальной адгезии на хитозан-содержащих покрытиях от способа их получения (кова-лентная иммобилизация и формирование на поверхности ПЭК), гидрофильное™ и электрокинетических свойств поверхности.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА заключался в выборе направления, объектов и методологии исследования; получении основной части экспериментальных данных, их обработке и интерпретации, формулировании выводов и подготовке публикаций по теме диссертации. Вклад автора в прикладные разработки в составе авторского коллектива сотрудников Института химии ДВО РАН составлял 25%. Математическая реализация методов рК- и pPml ~ спектроскопии и разработка программного комплекса для расчета констант равновесий, использованного при выполнении работы, осуществлена к.х.н., u.c. Голиковым А.П., ИХ ДВО РАН. Квантовохимиче-ские расчеты устойчивости комплексов КЭХ-Си2+ проведены н.с. Войтом A.B., ИХ ДВО РАН. Результаты использования хитозана и флокулирующих композиций на его основе для очистки поверхностных вод от ГВ получены совместно с u.c. Чер-вонецким Д.В., ИХ ДВО РАН и будут использованы в его диссертации на соискание степени кандидата химических наук. Автор также выражает признательность за плодотворное сотрудничество к.х.н. Пестову A.B., д.х.н. Ятлуку Ю.Г. (ИОС УрО РАН, г. Екатеринбург), докторам Симоне Шварц и Франку Симону (Лейбниц Институт полимерных исследований, г. Дрезден, Германия) и профессорам Хенни ван дер Мэй и Хендрику Бушеру (Медицинский центр Университета г. Гронинген, Нидерланды).

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Результаты работы были доложены на 9-ой Международной конференции «Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана» (Ставрополь, 2008), 8th World Biomaterials Congress (Амстердам, Нидерланды, 2008), 10th Pacific Polymer Conference (Кобе, Япония, 2007), 8th International Conference of the European Chitin Society (Анталья, Турция, 2007), 10th ICCC - EUCHIS '06 (Монпелье, Франция, 2006), 7th Asia-Pacific Chitin and Chitosan Symposium (Пусан, Корея, 2006), 10th Dresden Polymer Discussion: Characterization of Polymer Surfaces and Thin Films

(Майсен, Германия, 2005), 6th Liquid Matter Conference of the European Physical Society (Утрехт, Нидерланды, 2005), 19th Conference of the European Colloid and Interface Society (Гейло, Норвегия, 2005), European Polymer Congress (Москва, 2005), MACRO 2004 World Polymer Congress (Париж, Франция, 2004), 17th Conference of European Colloid and Interface Society (Флоренция, Италия, 2003), Conference on Water Resources and Environment Research (Дрезден, Германия, 2002), Conference 'Festkóper-analytik'(KeMiffl4, Германия, 2001), International conference on Colloid and Surface Science (Токио, Япония, 2000). ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

По теме диссертации опубликовано 65 печатных работ, из них 23 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, получено 3 патента РФ. СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и приложений. Работа изложена на 359 страницах, содержит 97 рисунков, 22 таблицы, список цитированной литературы - 459 источников.

РАБОТА ВЫПОЛНЕНА в соответствии с плановой тематикой НИР Института химии ДВО РАН: «Фундаментальные исследования физико-химических проблем направленного синтеза веществ и создания на их основе материалов с уникальными свойствами, перспективных для морских технологий и техники», № государственной регистрации 01.2.006 11023; «Развитие теоретических основ комплексного использования техногенного и природного (в первую очередь минерального) сырья Дальнего Востока, включая ресурсы моря», № государственной регистрации 01.2.006 11024, а также в рамках ведущих научных школ №№ НШ-5428.2006.3 и НШ-2045.2008.3, гранта Президента РФ МК 1810.2006.3, гранта ИНТАС IG 03-56113 и грантов НАТО CLG-NATO PST.CLG.979428.6993/FP и CLG-NATO CBP.NR.CLG 9820 12.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В Главе 1 «Кислотно-основное равновесие и комплексообразование в растворах полиэлектролитов» рассматривается развитие подходов и современное состояние проблемы описания ионных равновесий для полиэлектролитов и поверхностных функциональных групп в рамках двух альтернативных моделей - дискретной, оперирующей ограниченным набором дискретных констант (методы функций Грана, Гендерсона-Хассельбаха, Ружича и Скэтчарда, электростатическая

модель Качальекого) и непрерывной, в основе которой лежит представление о континууме констант ионных равновесий и возможности существования неограниченного набора неидентичных центров связывания протонов и ионов металлов (модель аффинных спектров CAS, модель нормального распределения, модель неидеальной конкурентной сорбции (NICA), рК-спектроскопия). На основании анализа литературных данных о возможностях и ограничениях существующих методов сделан вывод, что наиболее корректным и информативным подходом к анализу ионогенных свойств природных полиэлектролитов, точная химическая структура которых чаще всего достоверно неизвестна, является использование непрерывных моделей ионных равновесий, не требующих предварительной информации о составе системы.

В непрерывных моделях кислотно-основные и комплексообразующие свойства полиэлектролитов описываются уравнениями (1) и (2), соответственно:

рК шах f J \

f(pH)= J ра (pK)p(pK¡, [H])dpK

рК min

где (f(pH')) - экспериментально определяемая зависимость рН от объема титранта, tp(pK,[H]) - функция, описывающая связывание протона с ¿-аффинным центром, ра (рК) -функция распределения функциональных групп по шкале рК во всем диапазоне значений рК, имеющих физический смысл (рК-спектр)

рРмЛ">аг.)рК(та%)

f(pH,pM) - J J ср{рРми,рК,[M][H])p(p/]ml ,pK)dpK ,,dpKM (2)

PPud™i") í>K(m¡n)

где ç(pPULl,рК,[М][Я])- двухкомпонентная функция связывания протонов и ионов металла с i-аффинным центром полимерного лиганда, p(p[iUL, рК) - двумерная функция распределения функциональных групп по шкалам рК и pPml

Причиной необходимости учета кислотно-основных свойств полимерного лиганда при рассмотрении равновесий комплексообразования является конкурентность процессов связывания ионов металла и протонов в соответствии с равновесием (3). Однако, во всех известных из литературы непрерывных моделях для упрощения задача сводилась к рассмотрению комплексообразования при условии постоянства рН, т.е. фактически к нахождению одномерной функции распределения с использованием уравнения (1) и экспериментально определяемой зависимости (f(pM')). Предлагаемая в данной работе непрерывная обобщенная модель ионных

равновесий не ограничивается условием постоянства рН и позволяет анализировать процесс комплексообразования с учетом кислотно-основных свойств полимерного лиганда.

Если выполняется равновесие в соответствии с нижеприведенной схемой;

¿Г+Я»<->Ш + М* £=±Н* + ЬМ <=±Ь- + АГ, (3)

а выскоаффшшый лиганд проявляет слабые кислотно-основные свойства, в процессе комплексометрического титрования происходит высвобождение протонов. Таким образом, прецизионное измерение изменений рН позволяет уточнить значения рМ в области ниже предела обнаружения ИСЭ при условии известных параметров кислотно-основного равновесия для полимерного лиганда (рК-спектра). Такая возможность представляет наибольшую ценность для исследования комплексных соединений с рРмь>7, так как чувствительность большинства коммерчески доступных ИСЭ, применяемых в комплексометрическом титровании, ограничивается пределом 10"7 М, что приводит к искажению начального участка кривой титрования, содержащего информацию о высокоаффинных центрах связывания.

В рамках предложенной непрерывной обобщенной модели ионных равновесий, спектры констант равновесия комплексообразования (рРмь-спсктры), согласно равновесию (3), соответствуют константам нестойкости комплексов и рассчитываются из уравнения, аналогичного уравнению (2), с учетом того, что в общем случае способность к образованию комплексов с произвольным металлом не имеет строгой корреляции с кислотно-основными свойствами полимерного лиганда, а значит, двумерная функция распределения р{рРМ1,рК) может быть заменена произведением одномерных функций р(_р/?ж) ■ р(рК). В результате, располагая предварительно установленным по данным кислотно-основного титрования лиганда рК-спектром (р(рК')) и данными об изменении рН и рМ в ходе комплексометрического титрования полимерного лиганда раствором соли металла, можно рассчитать спектр условных констант нестойкости комплекса р(рРм1)- рРмь-спектр без введения каких-либо ограничений на модель ионных равновесий, за исключением условия моно-дентатности комплексов, принимаемого практически во всех известных моделях анализа природных полиэлектролитов. Метод численного решения такого двумерного интегрального уравнения был разработан на основе метода регуляризации, что позволяет применять его к реальной физической информации, содержащей случайные ошибки, и получать при этом стабильные решения.

Верификацию непрерывной модели ионных равновесий и правильность алгоритма расчета проверяли, обрабатывая кривые потенциометрического титрования смесей низкомолекулярных кислот и оснований, а также кривые комплексо-метрического титрования, сгенерированные методом имитационного моделирования и содержащие распределенную по нормальному закону случайную погрешность. В задачи верификации входило установление минимальной величины АрК(ДрРмь), при которой возможно разделение компонентов системы; установление возможности корректного разделения многокомпонентных систем; оценка влияния концентрации фоновой кислоты и точности экспериментальных данных на корректность расчета рК- и рРмь- спектров и фактора гетерогенности (ширины пика в спектре констант ионных равновесий). В случае р(Змь-спектроскопии также определялась верхняя граница величин рРмь которые могут быть рассчитаны с использованием экспериментальных данных ИСЭ в диапазоне рМ 3-6 и данных рН-электрода, и достоверность модели при идентификации высокоаффинных лигандов (рРмь>8) на фоне более высоких содержаний низкоаффинных лигандов.

На основании проведенных расчетов было установлено, что с применением методов рК- и рРмь-спектроскопии в рамках непрерывной обобщенной модели ионных равновесий можно разделять компоненты смесей неизвестного состава с

константами, отличающимися более чем на 0.75 ед. и идентифицировать произвольное число компонентов в системе при условии ДрК>1.0 (таблица 1). Показано, что, располагая рК-спектром полимерного лиганда, рассчитанным по уравнению (1) на основании данных кислотно-основного титрования и проводя потенциометрическое комплексометри-ческое титрование с двумя индикаторными электродами - рН и ИСЭ, можно

уточнить значения рМ в области рМ>6-тальных данных рН- электрода (рНэксп.)

для системы с рРмь 6 и 12. 7 (рис. 1) и рассчитать параметры рав-

Предел обнаружения ИСЭ ограничен рМ 6 новесия комплексообразования для

систем с рРм1<13 - (рис. 2).

Рис.1. Уточнение значений рМ (рМ восст.) с использованием эксперимен-

Таблица 1. Результаты обработки численно сгенерированных кривых комплексометриче-ского потенциометрического титрования (ё - средняя относительная ошибка, о - полуширина пика в рРмь-спектрах (характеристика гетерогенности объекта), Р-точность опре-

деления рМ, фон - присутствующая в системе сильная кислота/основание)

№ Р Заданные параметры Рассчитанные параметры

рРмь СЮ4, моль/л а рРмь е, % С-104, моль/л % о 6, %

1 ±0.005 фон 2 фон 2.00±0.03 0

6 2 0.5 5.8±0.1 2.5 2.0±0.1 0 0.6±0.2 20

8 3 0.5 8.1±0.1 0.6 3.0±0.1 0 0.5±0.13 0

2 ±0.01 фон 2 фон 2.01±0.04 0.5

6 2 0.5 5.8±0.1 3 1.8±0.1 9 1.2±0.55 140

8 3 0.5 7.9±0.1 0.2 3.2±0.2 6.6 0.7±0.1 40

3 ±0.005 фон 3 фон 2.97±0.02 1

6 4 1 5.8±0.29 3 3.92±0.01 2 1.15±0.05 15

9 1 0.5 8.8±0.1 2 1.05±0.04 5 0.6±0.1 34

4 ±0.01 фон 3 фон 2.97±0.03 1

6 4 ■ 1 5.98±0.06 0.3 3.92±0.02 2 1.15±0.0б 15

9 1 0.5 8.85±0.01 1.7 1.05±0.02 5 0.67±0.0б 20

5 ±0.005 фон 3 фон 3.02±0.02 0.7

6 3 1 6.06±0.01 1 2.75±0.06 8.3 1.44±0.01 44

10 2 1 10.07±0.04 0.7 1.95±0.03 2.5 1.12±0.02 12

6 ±0.01 фон 3 фон 2.99±0.03 0.3

6 3 1 6.15±0.11 2.5 2.77±0.03 7.6 1.54±0.05 54

10 2 1 10.2±0.11 2 1.91±0.04 4.5 1.2±0.1 20

7 ±0.005 фон 3 фон 3.02±0.03 0.6

6 3 1 5.5±0.5 8.1 3.0±0.3 0.3 2.3±0.5 127

11 2 1 11.6±0.4 5.2 2.0±0.2 3 1.2±0.2 22

8 ±0.01 фон 3 фон 3.06±0.03 2

б 3 1 5.6±0.4 6.7 3.1±0.2 3.3 1.6±0.4 60

11 2 1 11.02±0.01 0.2 2.06±0.09 3 1.2±0.0 20

9 ±0.005 фон 3 фон 3.05±0.03 1.7

6 3 0.3 6.6±0.7 10 2.7±0.2 11 0.3±0.1 0

7 2 0.3 6.9±0.2 1.4 2.3±0.3 13 0.7±0.4 133

10 ±0.005 фон 3 фон 3.02±0.03 0.7

7 3 0.2 6.95±0.01 0.7 3.17±0.03 6 0.35±0.01 75

7.75 2 0.2 7.85±0.01 1.3 1.82±0.03 9 0.3±0.01 50

11 ±0.005 фон 3 фон 3.03±0.02

8 3 0.2 7.95±0.01 0.6 2.9±0.2 3 0.27±0.03 35

8.75 2 0.2 8.80±0.07 0.6 2.0±0.2 0 0.27±0.03 35

12 ±0.005 фон 5 фон 5.1±0.1 2

8 3 0.2 7.9±0.1 1.25 2.6±0.8 13 0.33±0.17 65

8.75 2 0.2 8.7±0.2 0.6 2.3±0.4 15 0.27±0.1 4

9.75 3 0.2 9.7±0.2 0.5 3.1 ±0.4 3 0.28±0.2

13 ±0.005 фон 5 фон 5.42±0.07 8

6 3 0.5 5.9±0.1 2 2.82±0.05 6 0.6±0.1 20

9 2 0.5 9.7±0.2 8 2.07±0.07 4 0.4±0.1 20

11 3 0.5 11.8±0.3 7 2.8±0.2 7 0.68±0.08 36

Рис. 3. Анализ гетерогенности объекта (о) и идентификация высокоаффинных центров связывания в системах с преобладанием низкоаффинных центров (предел обнаруэ/сения ИСЭ ограничен рМ б, точность определения рМ ±0.005 ед). Идеальные (сплошные линии) и восстановленные (пунктирные линии) нормированные р^иь-спектры

В отличие от многих более ранних непрерывных моделей, характерным недостатком которых являлось либо чрезмерное уширение пиков, либо, напротив, расщепление одного широкого пика в распределении на несколько узких компонент, предложенный метод рРМ1_-спектроскопии, для большинства исследованных систем позволяет с удовлетворительной точностью охарактеризовать гетерогенность объекта и идентифицировать высокоаффинные центры связывания металла в системах с доминированием низкоаффинных центров (рис. 3).

Отличительной особенностью метода регуляризации, применяемого для численного решения уравнения вида (2) является повышение стабильности рассчитываемых рК- и ppML-cneKTpoB при обработке реальной физической информации, содержащей случайные ошибки. Было установлено, что в диапазоне точности измерения рМ от ±0.005 до ±0.05 (доверительная вероятность 0.9) возможно достаточно корректное восстановление рК- и pPML - спектров. В целом, верификация предложенной непрерывной модели ионных равновесий с использованием экспериментальных данных потенциометрического титрования и метода имитационного моделирования позволяют заключить, что модель лишена ряда недостатков, присущих упрощенным непрерывным моделям, и может быть применена для анализа кислотно-основных и комплексообразующих свойств полифункциональных объектов, в том числе природных полиэлектролитов и их производных, характеризующихся высокой структурной гетерогенностью.

Глава 2 «Объекты и методы исследования». В работе использовали образцы хито-зана, предоставленные Protan Biopolymer AS (Норвегия) с молекулярной массой 340 кДа и степенью деацетилирования 84% (СН-84) и 50% (СН-50); высокомолекулярный хитозан Fluka, молекулярная масса 500 кДа, степень деацетилирования 80% (CH-HMW); низкомолекулярный хитозан Fluka, молекулярная масса 30 кДа, степень деацетилирования 85% (CH-LMW); высокомолекулярный хитозан Нерре Medical Chitosan (Германия), молекулярная масса 320 кДа, степень деацетилирования 20% (CH-HMW-H). Гидрофобно модифицированные производные хитозана, синтезированные из хитозана СН-84 по методу2 при мольных соотношениях NH2/C12-альдегид 1:0.025 (СН-С12НМ-2.5), 1:0.05 (СН-С12НМ-5) и 1:0.10 (СН-С12НМ-10), предоставлены Protan Biopolymer AS (Норвегия). КЭХ с СЗ от 0.56 до

2Yalpani М„ Hall L.D. // Macromolecules. - 1984. - Vol. 17. - № 3. - Р. 272-281.

1.64 сиитезированы к.х.н. Пестовым A.B. (ИОС УрО РАН, г. Екатеринбург) методом «синтез в геле»3 из хитозана с молекулярной массой 150 кДа и степенью де-ацетилирования 84%. Кватернизованные хитозаны - CH-Q120 и CH-Q40 (содержащие четвертичную аминогруппу) - синтезированы из хитозана CH-HMW-H по методике, описанной в работе4, СЗ производных по данным ]Н ЯМР спектроскопии составили 40% и 47%, соответственно. Гидрофобно модифицированные кватернизованные хитозаны были синтезированы из хитозана CH-HMW-H при мольных соотношениях Ш2/С9-альдегид 1:0.05 (CH-C9HM05Q) и 1:0.25 (CH-C9HM25Q) в соответствии с методиками2,4; полученные на первой стадии синтеза гидрофобно модифицированные производные СН-С9НМ05 были использованы для извлечения латексов. Высококатионные крахмалы - хлориды (2-гидрокси-З-триметиламмоний) пропилкрахмала - с СЗ от 0.25 до 1.54 синтезированы в Университете г. Йена, Германия (Центр перспективных исследований полисахаридов, группа профессора Т. Хайнце) по методике, описанной в работе5. Использованные ГВ выделены и очищены согласно стандартным методикам IHSS (Международного гуминового общества) и предоставлены к.б.н. Нестеровой О.В. (ДВГУ), к.г.н. Луценко Т.Н. (ТИГ ДВО РАН), к.х.н. Дударчиком В.М. (Институт проблем использования природных ресурсов и экологии, г. Минск, Беларусь). Элементный состав производных приведен в таблице 2, анализ молекулярно-массового распределения проведен методом ВЭЖХ.

В главе 2 также описаны использованные методики исследования кислотно-основных и комплексообразующих свойств методом потенциометрического титрования, методика коллоидного титрования с детектированием по потенциалу протекания, методики проведения флокуляционных тестов и исследования адсорбции полиэлектролитов, методы определения размеров и электрокинетического потенциала коллоидных частиц, описаны методы модификации и анализа поверхности, приведены условия исследования антиадгезивных свойств хитозан-содержащих покрытий в проточной ячейке с циркулирующей суспензией бактерий, а также

3 Патент РФ № 2307103 / Пестов А.В., Ятлук ЮГ. Опубл. 16.01.2007.

4 Snyman D. et al. // Carbohyd. Polym. - 2002. - Vol. 50. - № 2. - P. 145-150.

5 Haack V. et al. // Marcomol. Mater. Eng. - 2002. - Vol. 287. - № 8. - P. 495-502.

оценки антимикробных свойств покрытий в режиме контактной адгезии, как жизнеспособность закрепившихся на поверхности бактерий.

Таблица 2. Характеристики ГК и ФК (элементный состав приведен в расчете на

беззольную массу)

Препарат Массовые % Атомные % Атомные отношения элементов

С Н О N Н/С О/С

ГК торфа(ГК-Т-1) фракция I (150 кДа) 54.9 37.0 5.20 42.5 35.4 17.9 15 2.6 1.15 0.48

ГК торфа (ГК-Т-П) фракция II (30 кДа) 53.2 37.35 4.76 40.1 37.9 19.9 4.14 2.53 1.07 0.53

ГК торфа(ГК-Т-Ш) фракция III (<8 кДа) 54.8 38.7 4.64 39.5 37.4 19.8 3.16 2.0 1.02 0.51

ГК лизиметров ГК-L 55.1 38.7 4.75 39.8 36.8 19.4 3.35 2.02 1.03 0.50

ФК лизиметров ФК-L-l 45.6 33.8 4.26 38 47.8 26.7 2.34 1.5 1.12 0.79

ФК лизиметров ФК-Ь-2 45.7 36.2 3.74 35.42 45.9 27.18 1.89 1.28 0.98 0.75

ГК почвы ГК-АТ 48.3 34 4.79 40.5 37.5 19.8 9.40 5.7 1.19 0.58

ГК почвы ГК-А1 46.8 34.4 4.25 37.6 37.8 21 11.1 7.0 1.09 0.61

ГК почвы ГК-СЮ 42.6 24.8 7.55 52.7 38.4 16.7 11.5 5.7 2.12 0.67

ГК донных осадков (ГК-М) 43.0 27.7 6.02 46.6 36.5 17.7 14.5 7.9 1.68 0.64

В Главе 3 «Применение обобщенной модели ионных равновесий - рК- и Ррмь — спектроскопии к исследованию кислотно-основных, комплексообразующих и коллоидных свойств полиамфолитов» на примере КЭХ рассмотрена возможность использования обобщенной непрерывной модели ионных равновесий для установления корреляции между СЗ, кислотно-основными, комплексообразующими и коллоидными свойствами производных природных полиэлектролитов.

Результатом введения в структуру катионного полисахарида хитозана функциональных заместителей, содержащих карбоксильную группу, является получение производных, обладающих свойствами полиамфолитов, положение изоэлек-трической точки (р!) которых зависит от СЗ.

Полученная методом рК-спектроекопии информация о характере кислотно-основных свойств КЭХ (рис.4) свидетельствует о выраженной гетерогенности функциональных групп полиамфолита, что хорошо согласуется с данными о сложном мономерном составе производных, установленными методом Н1 ЯМР спектроскопии (таблица 3). Важной обнаруженной особенностью рК-спектров КЭХ является ассиметричность пика, относящегося к высокоаффинным центрам - аминогруппам КЭХ. Вследствие того, что при расчете констант ионизации в рамках дискретных моделей определяется фактически средневзвешенное значение, расчетная дискретная величина рК может не совпадать с максимумом ассимет-ричного распределения, несмотря на общий для обеих моделей тренд увеличения рК аминогруппы с ростом СЗ (таблица 4). Рис.4. рК-спектры КЭХ, 0.1М КЫ03

Таблица 3. Мономерный состав КЭХ

Образец СЗ незамещенные монозамещенные дизамещенные

звенья звенья звенья

КЭХ-1 0.56 0.44 0.56 0

КЭХ-2 0.77 0.31 0.62 0.07

КЭХ-3 1.04 0.15 0.65 0.20

КЭХ-4 1.62 0 0.37 0.63

Использование параметров кислотно-основных равновесий, найденных в рамках дискретной и непрерывной моделей, для предсказания р1 полиамфолитов в соответствии с формулами для расчета р! белков6 и сравнение теоретических значений (р1 теор.) с экспериментальными (р1 эксп.), полученными методом лазерного электрофореза, показало, что наиболее близкое соответствие расчетных и экспериментальных значений достигается именно при применении непрерывной модели (таблица 4).

6 Райскюв С.8. //I Со11о1с11теНасе Бш. - 1995. - Уо1. 175. - № 1. - Р. 256-260.

Таблица 4. Характеристика протолитических и коллоидных свойств КЭХ (р1 - изоэлектрическая точка полиамфолита, рК1 и рК2 - константы ионизации карбоксильных и амино - групп КЭХ, соответственно)

C3 дискретная модель7 рК-спектр Pi ЭКСП. pi теор.

pKi pK2 pK! pK2 рК-спектр дискретная модель

КЭХ-1 0.56 3.26 6.92 3.13 6.78 6.72 6.66 6.86

КЭХ-2 0.77 3.31 7.01 3.04 6.88 6.30 6.36 6.48

КЭХ-3 1.04 3.23 7.33 3.09 7.07 4.55 4.46 4.89

КЭХ-4 1.62 3.47 7.83 3.42 7.47 3.55 3.59 3.67

Применение непрерывной модели ионных равновесий к исследованию ком-плексообразующих свойств КЭХ было направлено на устранение типичных проблем в анализе природных полиэлектролитов потенциометрическими методами. В настоящее время для оценки констант устойчивости комплексов металлов с природными полимерными лигандами преимущественно используется кислотно-основное титрование при фиксированном отношении металл:лиганд (M:L). При этом выбор модели ионных равновесий (количество типов центров связывания) часто достаточно произволен; кроме того, в результате анализа комплексообра-зующих свойств при фиксированном отношении M:L теряется информация об изменении констант устойчивости комплексов в зависимости от степени заполнения центров связывания, а также о высокоаффинных центров связывания ионов металла, если они не являются доминирующими. Существенным преимуществом метода рРмь-спектроскопии является возможность нахождения функции распределения, содержащей всю необходимую информацию о системе (количество типов связывания, соответствующие константы нестойкости комплексов, степень гетерогенности объекта) без каких-либо предположений о модели ионных равновесий, а также возможность уточнения значений рМ на начальном участке кривой титрования при использовании ИСЭ ограниченной чувствительности.

С учетом важности состояния протонизации высокоаффинных центров полиэлектролитных лигандов в процессах конкурентного взаимодействия с протонами и ионами металлов, комплексометрическое титрование КЭХ с двумя индикаторными электродами (ИСЭ и рН-электродом) проводили при начальном значении рН 6, 7 и 8. В результате применения для обработки экспериментальных данных

7 Skorik Yu.A. et al. // Carbohyd. Res. - 2003. - Vol. 338. - P. 271-276.

непрерывной модели ионных равновесий были рассчитаны условные рРш,-спектры, описывающие комплексообразование КЭХ с ионами Си2+ при рН 6-8, т.е. в диапазоне изменения степени протонирования аминогруппы (рис.5). Важной особенностью связывания ионов металлов высокомолекулярными лигандами является снижение величины работы по обмену Н+<->Мп+ на высокоаффинных центрах с ростом рН и одновременное увеличение электростатического вклада в связывание ионов металла, что приводит к смещению условных ррМь-спектров в область более высокой аффинности. Эта закономерность четко прослеживается для КЭХ с СЗ до 1, для которых значительный вклад в комплексообразование вносят высокоаффинные центры. С ростом СЗ КЭХ (КЭХ-4) в силу стерических затруднений роль атома азота в координировании ионов меди, по-видимому, заметно снижается, что приводит к нивелированию влияния рН (степени депротонирования аминогруппы) на характер условных ррм[,-спектров.

Рис.5. Спектры условных констант нестойкости (р(1м1,-спектров) комплексов КЭХ-Си (слева направо: КЭХ-1, КЭХ-3, КЭХ-4)

Наличие во всех рРщ^-спектрах КЭХ двух компонент свидетельствует об образовании комплексов различного состава в результате координирования иона Си2+ с участием незамещенных, моно- и ди-замещенных мономерных звеньев КЭХ. Анализ условных рРмъ-спектров и результаты квантовохимических расчетов устойчивости комплексов КЭХ-Си2+ позволяют связать низкоаффинпуго компоненту PPml с координированием ионов Си2+ незамещенными или дизамещенными звеньями КЭХ, а высокоаффинную - с координацией с участием монозамещепных звеньев (рис.6). Учитывая низкие значения изменения полной энергии образования комплекса с координацией в дизамещенном звене КЭХ относительно аквакомплек-

са, наиболее вероятно, что в данном случае атом азота в силу стерических ограничений в координации практически не участвует, что приводит к снижению устойчивости комплексов высокозамещниых КЭХ.

он

он

он

он

АЕ' = - 62 кДж/моль

:0

АЕ' = -27 кДж/моль

Рис.6. Вероятные структуры комплексов КЭХ-Си* и изменение полной энергии образования комплекса по сравнению с аквакомплексом (АЕ)

Благодаря тому, что в основе используемого варианта рРмь-спектроскопии лежит двумерное интегральное уравнение (2), позволяющее анализировать совокупность ионных равновесий без введения ограничения (рН=сопз1), на основании рК- и рРМ1^-спектров для экспериментального интервала, соответствующего изменению рН и рМ в ходе комплексометрического титрования, можно рассчитать трехмерные функции распределения вкладов высокоаффииных и низкоаффинных центров связывания в пространстве рН/рМ, наглядно демонстрирующие разницу в комплексообразующих свойствах производных с разной степенью функционализа-ции (рис.7).

Из характера условных рРмь-спектров, рассчитанных для КЭХ в диапазоне изменений начального значения рН 6-8, видно, что с увеличением рН доля высокоаффинных центров, участвующих в связывании ионов Си2+, резко возрастает, а низкоаффинных - падает. Важным следствием такого распределения является практическая невозможность установления наличия высокоаффинных центров для производных КЭХ с С3>1 (КЭХ-4), в которых доминируют низкоаффинные центры связывания, если экспериментальный интервал ограничен рН 6-7, как это принято в анализе комплексообразующих свойств полиэлектролитов с применением кислотно-основного титрования комплексов при фиксированном отношении М:Ь. В свою очередь, некорректная идентификация центров связывания существенно искажает представления о поведении выеокозамещеиных производных КЭХ в области низких содержаний ионов металла.

Рис. 7. 3£> функции распределения, характеризующие участие низкоаффинных (А) и высокоаффинных (Б) центров КЭХ в связывании ионов Си2*, рассчитанные на основании условных ррм!Гспектров(рН 6)

Одна из возможностей практического использования КЭХ, основанная на полиамфолитных и комплексообразующих свойствах данных функционализиро-ванных производных хитозана, лежит в области извлечения ионов тяжелых металлов из техногенных сточных вод. Для выявления корреляции между структурой, физико-химическими свойствами и флокулирующей эффективностью КЭХ проведены исследования осаждения смешанных гидроксидов Си(П), Zn(II), N1(11) в системах, по составу близких к сточным водам гальванического производства. Установленные зависимости степени извлечения металлов и скорости осаждения фло-кул от рН, электрокинетического потенциала коллоидов, СЗ и дозы КЭХ показали, что оптимальные величины СЗ лежат в диапазоне 0.5-1.0, что обеспечивается наиболее благоприятным соотношением анионного заряда макромолекул КЭХ и устойчивостью образующихся комплексов в соответствии с рассчитанными параметрами ионных равновесий.

Очевидно, что методологический подход, примененный к анализу ионных равновесий КЭХ, может быть распространен на исследования свойств других по-лиамфолитов, а также полиэлектролитов, содержащих функциональные группы разной силы, например, карбоксильные и фенольные, и использован для оптимизации применения ионогенных полимеров для извлечения и концентрирования ионов металлов в природных и техногенных системах.

Глава 4 «Влияние структурных особенностей природных полиэлектролитов на ионогенные свойства и эффективность разделения фаз в дисперсных системах». Обширное прикладное направление использования природных полиэлектролитов связано либо с их применением в качестве флокулянтов для удаления широкого спектра загрязняющих веществ коллоидной природы и разрушения дисперсий минеральных частиц, либо с необходимостью решения обратной задачи - извлечения природных полиэлектролитов вариабельной структуры и свойств, как это происходит, в частности, в процессах очистки поверхностных вод от ГВ. Для установления корреляций между структурными особенностями природных полиэлектролитов и их производных и эффективностью разделения фаз в ряде практически важных систем были рассмотрены следующие проблемы: влияние изменчивости кислотно-основных свойств и молекулярно-массового распределения ГВ на сте-хиометрический состав их ПЭК с катионными флокулянтами и эффективность очистки воды; исследование влияния гидрофобной модификации хитозана на эффективность и механизм извлечения гидрофобных загрязняющих веществ и полимерных латексов; установление роли разветвленной структуры и степени катион-ного замещения крахмалов на флокулирующие свойства и адсорбционное поведение в системах удерживания наполнителей целлюлозное волокно/каолин/высоко-катионный крахмал.

Изучение влияния характера кислотно-основных свойств и молекулярно-массового распределения ГВ на состав ПЭК с поликатонами представляет интерес как для решения аналитических задач, связанных с применением для экспресс анализа содержания ионогенных групп ГВ метода коллоидного титрования, так и прикладных задач извлечения ГВ из природных и сточных вод методом флокуля-ции. Для трех серий ГВ (таблица 2) проведены сравнительные исследования содержания ИФГ методами потенциометрического титрования с применением рК-спектроскопии и коллоидного титрования низкомолекулярным высококатионным полимером ПДАДМАХ - рис.8. Очевидно, что достоверный анализ содержания ИФГ методом коллоидного титрования возможен только в том случае, если ГВ и поликатион-титрант образуют ПЭК стехиометрического состава.

рК<7 [ 1рК>7 I I сумма по пт ■■ сумма по КТ

ГК-АТ ГК-А1 ГК-СЮ

фракции I фракция II фракция III

Рис.8. рК-спектры ГВ - верхний ряд; распределение ИФГпо силе кислотности (расчет из рК-спектров), и суммарные содержания ИФГ, рассчитанные по результатам потен-циометрического (ПТ) и коллоидного (КТ) титрований - нижний ряд

-ГК-АТ(1)

—,--ПС-А1(2) г—'— ГК-СЮ(З) ' ГК-М(4)

На основании проведенного анализа было установлено, что расхождение между результатами определения суммарного содержания ИФГ методами коллоидного и потенциометрического титрования являются статистически значимыми (при доверительной вероятности 0.8) для большинства исследованных ГВ. При этом наибольшие отклонения от стехиометрического состава ПЭК были отмечены для препаратов ГВ, характеризующихся низким вкладом карбоксильных групп с рК<5 (ГК-М, ГК-СШ) и высоким содержанием фракций с молекулярной массой менее 1 кДа (ФК-Ь-1 и ГК-Т-Ш). Повышенное содержание фенольных групп в ГВ (ГК почв) также приводило к занижению суммарного содержания ИФГ, определяемому коллоидным титрованием, но оказывало менее значительное влияние, чем отмеченные выше факторы. Также было установлено, что в результате агрегации ГВ и снижения доступности анионных центров для полимерного титранта наибольшие отклонения от стехиометрического состава ПЭК наблюдаются в области рН<5-6. Вместе с тем, для ряда ГВ, характеризующихся высоким вкладом в рК-спектр карбоксильных групп средней силы и незначительной долей низкомолекулярной фракции (с молекулярной массой менее 1.5 кДа) - ГК-П-Т, ФК-Ь-2, ГК-Ь, результаты определения суммарного содержания ИФГ методами коллоидного и потенциометрического титрований были статистически незначимы (при

доверительной вероятности 0.9), что определяет возможность применения коллоидного титрования как экспресс метода оценки ионогенных свойств таких ГВ.

Вследствие того, что характер взаимодействия ГВ с катионным титрантом в ходе коллоидного титрования аналогичен процессу, происходящему при осаждении ГВ с применением катионных флокулянтов в водоподготовке, отклонение от стехиометрических соотношений при формировании ПЭК ГВ/поликатион и исключения из взаимодействия с флокулянтом низкомолекулярных фракций ГВ может приводить к снижению эффективности флокуляционной очистки воды. Из рис.9а видно, что эффективность извлечения ГВ, оцениваемая по снижению цветности и окисляемости воды, ниже для ГВ, образующих с поликатионами ПЭК не-стехиометрического состава, и выше при использовании в качестве флокулянта хитозана, а не синтетических поликатионов (рис.9 б, в). Спектры поглощения очищенной воды в УФ-области, приведенные на рис.9 в, позволяют провести сравнительный анализ остаточного содержания в очищенной воде растворенных органических веществ, не удаляемых в процессе флокуляции.

Рис.9. Влияние типа ГВ на эффективность очистки воды (О) методом флокуляции с хитозаном (а) и зависимость снижения цветности воды (б) и остаточного содержания органических веществ (в) от типа использованного флокулянта, рН 7

Исследование зависимостей содержания свободных ИФГ в ПЭК ГВ:хитозан (рис.10 а) и эффективности снижения цветности (рис. 10 б) от состава комплексов и рН показало, что эффективная флокуляция происходит в области рН, соответствующей р! ПЭК, при этом требуемая глубина очистки в технологически приемлемом диапазоне рН 6-8 достигается в более широком концентрационном интервале хитозана по сравнению с синтетическими катионными флокулянтами (рис.96).

Рис.10. Зависимость содержания свободных ИФГ (отрицательные значения соответствуют анионным коллоидам) вГК, хитозане и ПЭК ГК/хитозан различного состава - (а) и эффективности удаления цветности воды при осаждении соответствующих ПЭК (б) от рН. Использован хитозан в форме гидрохлорида (СН) и глутамата (СН-ОЬ), состав ПЭК приведен в скобках как отношение количества катионных ИФГхитозана к анионным

ИФГ ГК

Вследствие доминирования в системе электростатических взаимодействий, молекулярная масса хитозана не оказывала значительного влияния ни на требуемую дозу флокулянта, ни на глубину очистки воды (рис. 9 б,в). Было отмечено также, что анионная форма хитозана оказывает влияние на эффективность извлечения ГВ. В частности, с применением хитозана в виде соли глутаминовой кислоты эффективная флокуляция наблюдалась в более широком интервале рН и концентраций флокулянта. Также показано, что совместное использование хитозана и неорганических коагулянтов (солей железа и алюминия, а также коагу-

0.03

0.02-

5 0.00-

скорость фильтрации 25 м/ч —•— хитозан/А1(|[|) —О—А1(Ш)

скорость фильтрации 35 м/ч

■— хитозан/А|(|||) -a-AI(lll)

1.0

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Al(lll), мг/л

Рис.11. Зависимость эффективности доочистки водопроводной воды хитозаном от линейной скорости фильтрации и концентрации введенного коагулянта

лянтов последнего поколения - ок-сихлорида и оксисульфата алюминия) позволяет снизить расход хитозана и обеспечить эффективное извлечение низких содержаний ГВ, при этом, по сравнению с самостоятельным применением неорганических коагулянтов, такие фло-кулирующие композиции обеспе-

чивают возможность значительного увеличения скорости фильтрации очищаемой воды (рис.11).

По результатам проведенных исследований в Институте химии ДВО РАН-была разработана серия флокулирующих композиций «Инстафлок», содержащих хитозан и оксихлорид алюминия в различных массовых отношениях (ТУ-№ 2163008-02698192-2004), и флокулянт «Хитофлок» на основе водорастворимой формы гидрохлорида хитозана (ТУ-№ 2163-007-02698192-2005) для применения в водопод-готовке и переработке сточных вод, содержащих анионные коллоиды. Испытания на реальных водах Артемовского водохранилища подтвердили более высокую эффективность флокулянтов на основе хитозана по сравнению с традиционными флокулирующими композициями (таблица 5).

Таблица 5. Эффективность флокуляционной очистки воды Артемовского водохранилища

Параметр Исходная вода с учетом сезонных колебаний (кроме паводка) Норматив СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода» Очищенная вода (полиакриламид +оксихлорид алюминия) Очищенная вода «Инстафлок»

Ре(общ.), мг/л 0.5-1.1 0.3 0.1 -0.3 '<0.1

А1(ост.), мг/л 0.2 0.2-0.3 <0.2

рН 7.2-7.5 6-9 7.2-7.5 7.2-7.5

Цветность, град. 25-50 20 10-20 5-10

Мутность, мг/л 2-5 1.5 0.5-1.4 <0.1

Хлор ост., мг/л 0.2-0.5 0.3-0.5 без изменений без изменений

Окисляемость, 3-7 5,0 40-50% 40-50%

мгОг/ л от исходной от исходной

Вкус при 20°С, баллы 2-3 2 0-2 0-2

Запах при 20°С, 0-2 2 0-2 0-2

баллы

Интенсификация процессов разрушения эмульсий и извлечения латексных частиц с применением хитозана. его гидрофобных производных и флокулирующих композиций на их основе. Возможность химической модификации природных поликатионов с введением гидрофобных заместителей может рассматриваться как перспективный подход к получению флокулянтов для очистки вод от гидрофобных загрязняющих веществ, увеличение эффективности которых определяется синергизмом электростатических и гидрофобных взаимодействий на границе раздела фаз.

С применением коллоидного титрования, фотон-корреляционной спектроскопии и спектрофотометрии было установлено, что, в зависимости от плотности заряда на границе раздела фаз, в эмульсиях масло-в воде могут реализовываться два различных механизма флокуляции - захват загрязнений с осадком и механизм электростатической дестабилизации, что оказывает существенное влияние на выбор оптимальных.условий флокуляции и дозировки флокулянта. Расчет числа анионных центров (АЦ) на поверхности капель эмульсии, проведенный на основании данных о размере частиц и катионной потребности эмульсии (количестве эквивалентов анионного титранта, необходимого для достижения нулевого потенциала протекания при коллоидном титровании эмульсии) показал, что для нестабилизи-рованных эмульсий этот показатель в среднем составлял 0.15АЦ/нм2 и О.ЗАЦ/нм2 при рН 5 и 9, соответственно, тогда как содержание АЦ на поверхности частиц в стабилизированных эмульсиях в диапазоне рН 5-9 сохранялось постоянным - в среднем 0.95АЦ/нм2. Для облегчения интерпретации экспериментальных данных для флокулянтов, отличающихся плотностью заряда, и более явного выражения электростатического вклада в механизм флокуляции, дозы флокулянтов выражались как отношение катионного заряда полиэлектролита (п+) к анионному заряду эмульсии (п-).

На рис.12 приведены результаты разрушения нестабилизированных эмульсий масло-в-воде (а) и эмульсий, стабилизированных анионным ПАВ (б-в) с применением хитозана и его производных. Видно, что гидрофобная модификация хи-тозапа оказывает заметный положительный эффект па флокулирующие свойства хитозана только в присутствии ДДС, при этом оптимальная степень гидрофобного замещения хитозана составляет 2.5-5%, дестабилизация эмульсий наступает при степени заполнения поверхности 0.4-0.6, а изменение рН в диапазоне 5-9 практически не оказывает влияние на эффективность разделения фаз. Для нестабилизированных эмульсий с низким зарядом поверхности, напротив, наблюдается выраженная зависимость эффективности очистки вод от рН, наиболее вероятно, связанная с недостаточной аффинностью полимера к поверхности и незначительными изменениями в структуре пограничного слоя вследствие низких величин сорбции флокулянта на поверхности частиц эмульсии. Для обеспечения разделения фаз в таких эмульсиях необходимо использовать хитозан и его производные в количествах,

превышающих дозы, требующиеся для нейтрализации заряда поверхности, а также поддерживать рН>7.

При этом во всех исследованных системах остаточные содержания гидрофобных загрязняющих веществ после очистки с применением хитозанов и флоку-лирующих композиций на их основе были в 2-3 раза ниже, чем при использовании товарных катионных флокулянтов на основе полиакриламида (таблица 6). Было также установлено, что при снижении диэлектрической проницаемости среды, наблюдается зависимость поглощения хитозаном карбоновых кислот с увеличением длины их углеводородного радикала, что подтверждает возможность захвата гидрофобных поллютантов за счет структурных особенностей природных полисахаридов.

-О- СН-84 В)

^ -0-СН-С12НМ-2.5

80 л"

С

60 I,

0.0 0.2 0.4 0.6- 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 0 0 0.2 П+/П-

0.4 0.6 0.8 1,0 1.2 14 п+/п-

Рис.12. Разрушение пестабилизироваппых (а) и стабилизированных ДЦС (б) эмульсий масло-в-воде с применением нативного (СН-84) хитозапа и его гидрофобно модифицированных (СН-С12НМ-2.5/5/10) производных. Корреляция между степенью заполнения поверхности, определяемой по р! и эффективностью разделения фаз в эмульсии (в)

Таблица 6. Остаточные концентрации нефтепродуктов (НП) после флокуляции эмульсий масло-в-воде с содержанием НП 500 мг/л

Флокулянт Доза фло-кулянта, мг/л рН Остаточная концентрация НП, мг/л

СН-84 1.5 7.0 2.8±1.1

СН-С12НМ-2.5 1 7.0 1.6±0.5

Праестол 644 ВС 4.5 7.0 6.1±1.5

Праестол 852ВС 3-5 6.3 55±5

Праестол 852ВС 1-3 8.0 12±2

«Иистафлок» 1.5-2 6.3 3.0±0.5

«Инстафлок» 1.5-2 8.0 3.0±0.5

Снижение степени деацетилирования хитозана до 50%, ассоциируемой не только со снижением содержания катионных ИФГ, но и с увеличением жесткости

макромолекул, приводило к значительному падению эффективности разделения фаз в эмульсиях, тогда как изменение молекулярной массы хитозана (30 кДа и 500 кДа) оказывало менее значительное влияние на достигаемую глубину очистки воды.

Значительный положительный эффект гидрофобной модификации хитозан-был отмечен при извлечении латексов с низким зарядом поверхности (^-потенциал частиц составлял -10 мВ, содержание анионных групп на поверхности - 0.31 гр./нм2), стабилизированных неионными ПАВ, извлечение которых с применением других флокулянтов, в том числе немодифицированным хитозаном, неэффективно даже при полной нейтрализации заряда поверхности. Согласно рис.13, за счет гидрофобной ассоциации производных хитозана с ПАВ на поверхности латекса обеспечивается укрупнение частиц дисперсии и их осаждение в области близкой к точке нейтрализации поверхности. При этом осаждение латексов аналогичного типа, характеризующихся ^-потенциалом поверхности -22 мВ и содержанием анионных групп 0.64 гр./нм2, достигалось и с применением нативного хитозана.

с!, нм

-о-сн-нм\«-н

-•—СН-С9НМ-5

10 20 30

время, минуты

1.4 1.21.0

0.8 0.60.40.20.0

-•-СН-С9НМ-5 -О- СН-НМ\«-Н

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 ^-потенциал, мВ

Рис.13. Зависимость размера частиц полистиролакрилатпых латексов потенциал поверхности -10 мВ) в точке нейтрализации заряда от типа флокулянта (а). Эффективность извлечения латексов (б)

Задача извлечения латексных частиц не ограничивается переработкой сточных вод латексных производств. Применяемые на объектах атомной промышленности латексные пылеподавители, попадая в сливные воды, способствуют увеличению мобильности радионуклидов как за счет связывания ионных форм карбоксильными поверхностными группами, так и за счет стабилизации коллоидов гид-роксидов трансурановых элементов. Перспективность использования хитозана для решения задачи одновременного извлечения пылеподавителей и трансурановых

элементов обусловлена совокупностью его поликатионных и хелатирующих свойств, в том числе в отношении уранил-ионов8.

В связи с тем, что используемые в качестве пылеподавителей латексы характеризуются высоким поверхностным зарядом (¿¡-потенциал -40-55 мВ), определяющим высокую эффективность электростатических взаимодействий с флокулян-том, применение гидрофобно модифицированных производных хитозана было не оправдано. Вместе с тем, снижение концентрации латексных частиц в суспензии приводит к таким же последствиям, как и снижение поверхностного заряда - в разбавленных суспензиях в силу кинетических затруднений депротонирование макромолекул хитозана может предшествовать его сорбции на поверхности частиц, что в сочетании со снижением числа соударений частиц приводит к резкому падению эффективности извлечения латексов методом флокуляции (рис.14 а). Удаление пы-леподавителя при его содержаниях менее 10 мг/л достигалось только с использованием флокулирующих композиций на основе хитозана и неорганических коагулянтов, например, «Инстафлок», по механизму захвата с осадком при зарядных соотношениях несколько выше стехиометрических (рис. 14 б), что, тем не менее, позволяло значительно сократить объем образующегося осадка по сравнению с самостоятельным применением неорганических коагулянтов.

Рис.14. Осаждение эмульсии пылеподавителя КЭ 13-36 флокулянтом «Хитофлок» (а) и флокулирующей композицией на его основе при содержании пылеподавителя 10 мг/л (б),

рН 8

Проведенные на основании результатов лабораторных исследований испытания флокулянтов на основе хитозана для одновременного извлечения пылеподавителей и альфа-излучателей из сточных вод ЧАЭС подтвердили их высокую эффектив-

8 Рш>п Е., Пошагс! А. // Ы. Г Вю1. Масгошо1. - 1997. - Уо1. 21. - № 4. - Р. 327-335.

29

ность и возможность использования для решения задач радиационной безопасности (таблица 7).

Таблица 7. Отдельные примеры очистки сточных вод ЧАЭС

№ пробы Условия эксперимента Мутность (Б500) Альфа-активность пробы, Бк/л

1-0 (Ой) Исходная проба №1(рН=1.89) 0.016 1.08*10"'

ОБ-О-Ре Исх. проба (рН=11) + Ре(Ш) (40 мг/мл) 0.016 9.70*102

08-1-4 Исх. проба (рН=11) + эмульсия КЭ 40 мг/л + «Хитофлок» 20 мг/л + Ре(Ш) (40 мг/л) 0.000 3.18*10'

1-1-1 рН=9, Са2+ -160 мг/л, «Хитофлок»-20 мг/л 0.002 6.59*10'

1-1-3 рН=9, Са^ -160 мг/л, «Хитофлок» -5 мг/л, Ре(Ш) - 10 мг/л 0.000 <5.70*10'

2-0 Исходная проба №2 0.824 з.зто3

2-1 (Р-4) «Хитофлок» - 20 мг/л, Ре(Ш) -60 мг/л, Са 2+-160 мг/л 0.006 7.93*10'

Влияние степени замещения и разветвленной структуры на флокулирующие и связующие свойства катионных крахмалов. Важным фактором гетерогенности производных природных полимеров могут быть особенности строения, в частности, высокая разветвленпость полиэлектролита, ограничивающая его конформационную свободу, и, следовательно, влияющая на эффективность взаимодействия с противоположно заряженными коллоидами в растворах и поверхностными функциональными группами. Одним из типичных представителей данного класса полиэлектролитов являются химически модифицированные крахмалы, среди которых наиболее важное промышленное значение имеют катионные производные. Диктуемая современной бумажной промышленностью задача увеличения степени ка-тиоипого замещения крахмалов, связанная с необходимостью повышения доли минеральных наполнителей в составе бумаги и их эффективного удерживания на поверхности целлюлозных волокон, неизбежно сталкивается с проблемой оптимизации СЗ крахмалов с учетом возможного ограничения доступности катионных центров с ростом степени функционализации высокоразветвленных полимеров, к которым относится и амилопектин крахмала.

Диапазон СЗ катионных крахмалов, поведение которых на сегодняшний день хорошо изучено, ограничивается 0.2, что уже не обеспечивает современных про-

мышленных потребностей, а особенности поведения высококатионных крахмалов, представляющих большой практический интерес, ранее не исследовались. С учетом прикладных задач были изучены коллоидные свойства серии высокозамещен-ных производных крахмала с СЗ 0.25-1.54, их флокулирующая эффективность в дисперсиях каолина (типичного наполнителя для бумажной промышленности), адсорбционное поведение на поверхности целлюлозного волокна, и определены условия достижения требуемых величин удерживания каолина (до 35 массовых %) модифицированными целлюлозными волокнами.

Для крахмалов с высоким содержанием амилопектина (до 78%) было установлено, что линейная зависимость между СЗ, кажущейся плотностью заряда (содержанием ИФГ) и флокулирующей эффективностью катионных крахмалов сохраняется только в диапазоне С3<0.7 (рис.15), что отличает поведение катионного амилопектина от линейных синтетических гибкоцепных полиэлектролитов, флокулирующая способность которых, как правило, линейно зависит от СЗ. Вследствие ограниченной конформационной свободы катионных амилопектинов их сорбция на противоположно заряженных поверхностях приводит к более значительному отклонению от стехиометри-

1 £

ь с;

о о

С 2

^ г

К - о

иго 2 -

Ж ч

3 I

* 3

£

1 4 и

■е-

1 0 я

с£ 8 §

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1. Степень катионного замещения

■в-■е-о

ческих отношении при централизации заряда поверхностных функциональных групп при достижении предельных величин сорбции, чем это характерно для гибкоцепных полиэлектролитов с аналогичной плотностью катионного заряда, а также для катионных крахмалов с высоким содержанием линейного полисахарида -амилозы (рис.16).

Сравнительный анализ данных по адсорбции высокозамещенпых крахмалов и их флокулирующей эффективности показал, что дестабилизация суспензий каолина наблюдается при соотношении полимера к субстрату, составляющему 25-30% от значения предельной сорбции. Таким образом, флокуляция происходит задолго до нейтрализации отрицательного заряда поверхности адсорбированными макромоле-

Рис.15. Зависимость кажущейся плотности заряда (содержания ИФГ, определяемого коллоидным титрованием) и минимальной эффективной флокулирующей дозы в суспензиях каолина от СЗ картофельных катионных крахмалов с содержанием амилопектина 78%

кулами поликатиона, что хорошо согласуется с резким возрастанием эффективности разделения фаз в коллоидных системах с локальными областями разноименных зарядов (мозаичным распределением зарядов)9. С увеличением доли линейной амилозы в катионном крахмале снижаются величины предельной сорбции и сужается эффективный концентрационный диапазон флокуляции, что приближает поведение таких крахмалов к поведению линейных синтетических поликатионов.

80

§ & и.

=г » 40

а)

=2=

26 мг/с-,

а л

24 мг/г

20 мг/г

-а-

-

■ П 0.6

О КТ0.6

д КК0.6

□ Праестол 644 ВС

100 200 300

концентрация полимера, мг/л

1412-| 10 I 8

ю

а. е О О о

$ 4 2 0

б)

Д КК 0.6

■ п 0.6

• КТ0.6

А Праестол 644ВС

0 10 20 30 40 50 60 70 80 равновесная концентрация полимера, мг/г

Рис. 16. Адсорбция катионных крахмалов на поверхности каолина - (а) и целлюлозного волокна (б), рН 8. Цифровые символы у обозначения крахмалов соответствуют СЗ, содержание амилопектина в кукурузном крахмале (КК 0.6) - 30%, в пшеничном (П0.6) - 75% и картофельном (КТ 0.6) - 78%

Создание локальных областей избыточного положительного заряда при адсорбции катионного амилопектина на поверхности в результате невозможности принятия конформации, обеспечивающей наиболее эффективный контакт с анионными центрами целлюлозного волокна, позволяет достигать высоких величин удерживания анионного наполнителя при значениях р1 поверхности модифицированного волокна <8, т.е. при условии сохранения суммарного анионного заряда поверхности (рис.17). Полученные данные также показывают, что в результате адсорбции катионного крахмала с повышенным содержанием амилозы (КК 0.6) р1 поверхности целлюлозного волокна смещается менее эффективно, что подтверждает роль разветвленной структуры амилопектина в формировании локальных областей катионного заряда и обеспечении эффективного разделения фаз при степенях заполнения поверхности <0.3. Анализ данных, приведенных на рис.17, позволяет сделать заключение, что для обеспечения удерживания целлюлозным во-

9 Воиуег Р. е1 а1. // Ьапртшг. - 2001. - Уо1. 17.-№ 17.-Р. 5225-5231.

локном до 35 массовых % минеральных наполнителей достаточна СЗ катионных крахмалов 0.6-0.7. С учетом нелинейной зависимости кажущейся плотности заряда и эффективности катионных амилопектинов с С3>0.7 (рис.15), причина которой лежит в негативном влиянии разветвленной структуры амилопектина на доступность катионных центров, дальнейшее повышение СЗ, вероятно, будет экономически нецелесообразно.

Рис. 17. Зависимость изменения изоэлектрической точки, р! поверхности целлюлозного волокна (а) и предельных величин удерживания наполнителя (б) от количества адсорбированного на поверхности катионного крахмала. Са1у$о19 — промышленный крахмал, С3~0.05, приведен для сравнения

Глава 5 «Антимикробные покрытия на основе ионогенных полисахаридов и их полиэлектролитных комплексов». В главе рассматриваются возможности использования ионогенных свойств полисахаридов, их биологической активности и специфических для природных полиэлектролитов конформационных состояний при создании функциональных наноразмерных покрытий биомедицинского назначения, снижающих бактериальную адгезию и предотвращающих формирование микробных биопленок.

В литературном обзоре, предшествующем обсуждению полученных результатов, проведен анализ современных подходов к модифицированию поверхности биомедицинских материалов, в том числе с применением хитозана и его производных, рассмотрены возможные механизмы антимикробного действия хитозана и пути повышения антимикробной активности путем химической модификации натив-ного полимера.

В работе использовались два альтернативных подхода к получению покрытий, содержащих ионогенные полисахариды - метод ковалентной иммобилизации (на активированной кислородной плазмой поверхности полипропилена и якорных слоях синтетических полимеров, содержащих эпоксидные и ангидридридные группы) и формирования мультислойных пленок ПЭК хитозана и каррагинанов. В отличие от традиционного подхода к получению ковалентно привитых покрытий хитозана с применением якорных слоев полиакриловой кислоты, были использованы якорные слои полиглицидилметакрилата (ПГМА) и сополимеров малеинового ангидрида с этиленом (ПЭМА) и стиролом (ПСМА), отличающиеся более высокой реакционной способностью. Ковалентпый характер прививания хитозана за счет аминогрупп был подтвержден с применением РФЭС — рис. 18, показавшей, что около 30% аминогрупп хитозана участвуют в реакциях с функциональными группами поверхности (увеличение вклада компоненты В - СЖ в спектре высокого разрешения Об), что, с одной стороны, обеспечивает необходимую стабильность покрытий, а с другой - позволяет сохранить достаточно высокую плотность кати-онного заряда (¿¡-потенциал поверхности +30 мВ при рН 3; р! - 5.5-5.7 ед.).

1000 ¡¡00 600 400 200

296 292 288 284

он

и Хо

' I I

ОК1Х

015 С1!

N15

0 2й

296 292 288 284

1000 800 600 400 200 0

Рис. 18. РФЭС спектры и схема ковалентной иммобилизации хитозана на якорных слоях ПГМА (вверху) и ПЭМА (внизу)

Установлено также, что для обеспечения ковалентпого связывания с покрытиями ПЭМА и ПСМА оптимальная величина рН раствора хитозана, используемого при нанесении покрытия, составляет 4.5-5 ед., при этом в случае ПСМА необходим предварительный частичный гидролиз ангидридных групп для обеспечения контактного угла смачивания поверхности с якорным слоем <60 градусов. Характеристики полученных покрытий приведены в таблице 8.

Таблица 8. Характеристики покрытий ковалентно привитого хитозана на якорных слоях ПГМА, ПЭМА и ПСМА*

Система Толщина, им Среднеквадратичная шероховатость, им

ПЭМА 7.57+1.20 0.54±0.05

ПСМА 7.08±0.66 0.69+0.06

ПГМА 1.05+0.10 0.25±0.04

ПЭМА+СН-НМ\У 16.35+1.55 1.02+0.06

ПСМА+СН-НМ\\^-Н 13.55+1.49** 0.91+0.07

ПСМА+СН-НМ\У-С9НМ-5 13.26±1.7** .1.18+0.06

* - контактный угол поверхности слоев ПЭМА и ПСМА составлял 57±2 и 75±3 градусов до гидролиза и, соответственно, 42±2 и 55±3 градусов после частичного гидролиза ангидридных групп

**- хптозан привит после частичного гидролиза ангидридных групп ПСМА

В качестве альтернативного подхода с целью получения более гидрофильных покрытий с контролируемой архитектурой и зарядом поверхности исследовали формирование мультислойных покрытий ПЭК хитозана с несколькими типами каррагинанов. Особенностью системы каррагинан/хитозан является веерообразная фазовая диаграмма устойчивости ПЭК в растворе, свидетельствующая о возможности получения на поверхности мультислойных полиэлектролитпых покрытий, стабильных в широком диапазоне ионных сил и рН. Кроме того, уникальные структурные особенности каррагинанов - естественная вариация степени сульфатирова-ния, возможность конформационных переходов при изменении солевого состава системы, выраженные антикоагулирующие свойства, позволяют считать их достаточно перспективными партнерами хитозана для создания биомедицинских покрытий, предотвращающих бактериальную адгезию.

Схема построения мультислойных покрытий хитозан/каррагинан и зависимость толщины бислоя (БС), сформированного парой поликатион-полианион, от рН при адсорбции полиэлектролитов приведена на рис.19. Видно, что увеличение рН при адсорбции хитозана способствует формированию адсорбционного слоя

большей толщины, а снижение рН и увеличение степени пронирования свободных аминогрупп адсорбированного хитозана на стадии адсорбции каррагинана позволяет заметно увеличить инкремент роста толщины пленки по сравнению с муль-тислоями, полученными при постоянстве значений рН на каждом адсорбционном шаге.

Рис.19. Схема построения и роста мультислойпых покрытий хитозап /каррагипап в зависимости от рН. Эллипсометрическая толщина (И) пленок хитозан(СН)/к-каррагинаи(САК) в зависимости от рН (,цифровые символы у обозначения полимера) определена для покрытий полученных из растворов 0.15МЫаС1

Изменение при формировании мультислойпых покрытий хитозан/каррагинан режимов рН, молекулярной массы хитозана, типа каррагинана и солевого состава системы позволило установить, что от условий формирования мультислойпых покрытий зависит только инкремент приращения толщины пленки, а экспоненциальный характер роста сохраняется - рис.20. Такое поведение является характеристической особенностью жесткоцепных природных полимеров и крайне редко встречается для синтетических полиэлектролитов, как правило, только при высоких значениях ионной силы.

На основании анализа литературных данных и проведенных исследований топографии и среднеквадратичной шероховатости поверхности, независимости инкремента прироста толщины пленки от молекулярного веса хитозана и зависимости

пН-3

/ / / / / /

М.84±0.28нч

от гелеобразующих свойств в системе хитозан/каррагинан было сделано предположение о значительной роли формирования высоковязкого гелевого слоя на границе раздела поверхность/раствор в механизме экспоненциального роста мультис-лойных покрытий хитозан/каррагинан. Исследование поверхности мультислойных покрытий методом АСМ показало резкие отличия от топографии ковалентно привитых покрытий, а также возможность сохранения конформации двойной спирали для к-каррагинана в структуре покрытия (рис.21). Проведенный

■ к-каррагинан я я-каррагинан □ i-каррагинан

4 6 8 10 12 14 количество БС Рис.20. Эллипсометрическая толщина мупъ-тислоев хитозапа и каррагинанов, сформированных при pH 5 (круглые символы - 0.15М NaCl, квадратные - О.ОЗМKCl)

полный анализ свойств поверхности мультислоиных покрытии с применением РФЭС, электрокинетических измерений, эллипсометрии (в сухом состоянии и «in situ» в фосфатном солевом буфере) был в дальнейшем использован при установлении корреляции между физико-химическими свойствами поверхности, определяемыми ионогенными свойствами полисахаридов, особенностями структуры сформированных покрытий и их антиадгезивными характеристиками.

Рис.21. Топография поверхности, слева направо: мулътислои хитозан/к-каррагинан (рН 3, NaCl 0.15 М) - 2БС, 8 БС; хитозан/к-каррагинан (рН 5, КС10. ОЗМ); ковалентно привитые покрытия ПЭМА + хитозан CH-HMW-PI

Мониторинг адгезии бактерий на полученных покрытиях проводили в проточной ячейке с каналом между двумя параллельными пластинами исследуемого материала при циркуляции суспензии бактерий Е. ]<аесаШ с концентрацией 3■ 108 шт/мл в фосфатном солевом буфере рН 7.4. В результате проведенных иссле-

дований было показано, что оба типа покрытий позволяют значительно снизить бактериальную адгезию, при этом мультислойные покрытия обеспечивают снижение адгезии в 50-100 раз, а менее гидратированные ковалентно привитые покрытия - в 10-20 (таблица 9).

Таблица 9. Адгезия (¡0 - скорость начальной адгезии бактерий, - количество бактерий, закрепившихся на поверхности через 1 ч) и жизнеспособность бактерий Е./аесаШ (фосфатный солевой буфер, рН 7.4, 0,15 М ЫаС1). Для мультислоев цифровые символы у аббревиатур полимеров соответствуют значениям рН при формировании покрытий

Тип покрытия Е. (аесаИв В5385 Е [аесаП.н ВБ11297

]0 '/см2с 106/см2 Жизнеспособность, % До '/см2с "и, 106/см2 Жизнеспособность, %

Мультислои (14 БС)

СНЗ/к-САЯЗ 36 ± 21а 0.06±0,03а 88 ±5 45 ± 10а 0.12 ± 0,04а 79 ± 13

17± Г 0.04 ± 0,02а 92 ±8 26 ± 4а 0.08 ± 0,04а 92 ±3

СН5/К-СА113 115±67а 0.11 ±0.09а 89 ±4 63 ± 33а 0.13±0.06а 85 ±8

56 ±35* 0.07 ± 0,03а 86 ±10 25 ± 7а 0.07 ± 0,03а 96 ±2

СН5А.-САЮ 152 ± 64а 25 ± 8а 0.20 ± 0,08а 0.10±0,03а 88 ±3 85 ±6

Среднее по типу 66 ± 54ь 0.09 ± 0,05ь 87 ±7 40 ± 23ь 0.10 ± 0,04ь 88 ± 10

Ковалентно привитые покрытия хитозана

ПЭМА-СН, рН 3 149 ± 75а 0.31 ±0,43а 73 ± 9а 296 ± 133а 0.15 ± 0,03а 78 ± 15

ПЭМА-СН, рН 5 183 ± 109а 0.30 ± 0,03а 36 ± 22а 301 ± 137а 0.22 ± 0,07а 76 ± За

Среднее по типу 163 ±84 0.31 ±0,31 54 ±25 298 ±121 0.19 ±0,06 77 ± 11

Субстрат (контроль)

1260 ±333 3,57 ±0,12 93 ±5 1018 ±336 0,93 ±0,38 97 ±2

Значимые различия с субстратом а и ковалентно привитыми покрытиями (р <0.01).

Для мультислоев верхний слой покрытия: в числителе - хитозан, в знаменателе - карраги-

пап.

Как видно из таблицы 9, на поверхности мультислоев хитозан/каррагинан с отрицательным электрокинетическим потенциалом (верхний слой - каррагинан) -рис.22 в среднем адгезия грамположительных бактерий Е. /аесаИ.ч (^-потенциал -30-35 мВ) несколько ниже, но, с учетом статистического анализа, значимые отличия наблюдаются только при изменении способа получения покрытий. При использовании стратегий ковалентной иммобилизации вследствие межмолекулярной

30-

20-

m 10-

5

Ц

СО s 0-

-1

i 0> -10-

о

с -20-

-30-

-40-

—□—4БС —О— 4БС+хитозан —О— 8БС+хитозан —□— 12БС

12БС+хитозан

сшивки получаются слабо набухающие покрытия (рис.23), тогда как формирование сетчатых гидрофильных структур ПЭК катионных и анионных полисахаридов позволяет значительно повысить эффективность покрытий для предотвращения бактериальной адгезии.

На основании проведенных исследований свойств покрытий было установлено, что антиадгезивные характеристики мультислойных покрытий не уступают

характеристикам поверхностей с привитыми гидрофильными полимерными щетками, но при этом, в отличие от поверхностей с привитыми полимерными биоцидами, не обеспечивают антимикробной активности в контактном режиме -«contact killing», т.е. при непосред-' ственном контакте бактерия-поврехность. В отношении исследованных штаммов бактерий был обнаружен лишь мягкий антимикробный эффект на ковалентно привитых слоях хитозана (таблица 9). Возможной причиной низкой активности хитозана в физиологических условиях является депрото-нирование аминогруппы, что определяет активное использование модификации ионогенных свойств нативного хитозана с введением фрагментов, обеспечивающих сохранение катионной функции при рН>7.

С целью повышения антимикробных свойств нативного хитозана и использования полученных производных для модификации поверхности были синтезированы три серии производных - кватернизованные хитозаны (СН-Q40 и CH-Q120), гидрофобно замещенные (при мольных отношениях NH2/C9 аль-

рН

Рис.22. Электрокинетические характеристики

мультислоев хитозан/к-каррагинан (CH5/CAR3) в зависимости от количества адсорбированных БС

350 т | 300

| 250 л

g 200 с

2 150-1

3

с юон

о ь

500

сухом состоянии У//Л в фосфатном солевом буфере

Ф . на

Рис.23. Набухаемостъ покрытий в фосфатном

солевом буфере (рН 7.4, 0.15МNaCl): 1-CH3/K-CAR3; 2-CH5/K-CAR3; 3-CH5A-CAR3; 4-CH5/K-CAR3 (из 0.03МКС1); 5-ПЭМА+СНрН 3; 6 - ПЭМА+СНрН 5

дегид 1:0.05 до 1:0.25) и гидрофобно замещенные кватернизованные производные хитозана. Несмотря на то, что в тестах по изменению размера зоны ингибирования было установлено, что кватернизованные гидрофобно модифицированные хитоза-ны обладают более высокой антимикробной активностью по сравнению с натив-ным хитозаном, существенных изменений жизнеспособности бактерий на поверхностях, модифицированных с их применением зарегистрировано не было - таблица 10. Антимикробная активность производных хитозана была заметно выше только по отношению к бактериям, находящимся в логарифмической фазе роста, более восприимчивых к внешним воздействиям различного рода.

Вместе с тем, в результате повышения катионного заряда и гидрофобности поверхностей с ковалентно привитыми покрытиями и мультислоями с верхним слоем производных хитозана был отмечен значительный рост адгезии бактерий, что согласуется с представлениями о синергетическом влиянии гидрофобных и ка-тионных заместителей в структуре хитозана на аффинность хитозана к поверхности бактериальных мембран, определяющей его антимикробную активность в свободном состоянии.

Таблица 10. Адгезия и жизнестойкость Е./аесаШ ВЭ385 на поверхности покрытий, содержащих кватернизованные и кватернизованные гидрофобно модифицированные производные хитозана (для мультислоев цифровые символы у аббревиатур полимеров соответствуют значениям рН при формировании покрытий)

Покрытие ¡о. 7см2с V 106/см2 1 Жизнестойкость, %

Ковалентно привитые покрытия

ПЭМА-СН-(340 556±180 1.4+0.5 94+3

ПСМА-СН-(} 120 1454+295 4.2+0.5 93+4

ПСМА-СН-С9НМ05С> 1682+320 4.3+0.6 98+1

ПСМА-СН-С9НМ25С? 2218+332 3.9+0.8 98+1

Мультислои с к-каррагинаном (14 БС)

СН-С9НМ05(25/САЮ (стационарная фаза) 624±128 40±6 1.7+0.3 0.11+0.07 84±2 86+1

СН-С9НМ05(35/СА113 (логарифмическая фаза) 469±201 35±7 1.4+0.4 0.15+0.05 51+6 92+3

Субстрат 1342±418 5.6+0.5 98+1

В литературе данные по антиадгезивным свойствам покрытий, содержащих хитозан и его производные, до настоящего времени отсутствовали; в большинстве

40

работ оценивались только антимикробные свойства материалов. Кроме того, нЗ учитывалась стабильность покрытий, что не позволяло связать антимикробные свойства материала со свойствами поверхности и не исключало антимикробного эффекта за счет диффузии хитозана из покрытия. Полученные данные о различной антимикробной активности свободного и жестко закрепленного на поверхности полимера показывают, что тестирование антимикробных свойств производных хитозана, потенциально применимых для модификации поверхности, должно проводиться в проточных системах с циркуляцией суспензий бактерий. Такой метод наиболее близко имитирует применение биоматериалов в реальных условиях и позволяет оценить эффективность покрытий как для предотвращения адгезии бактерий на поверхности, так и снижения жизнеспособности бактерий, находящихся в непосредственном контакте с поверхностью ("contact killing").

ВЫВОДЫ

1. Предложена обобщенная непрерывная модель анализа ионных равновесий, в основе которой лежит использование рК-спектроскопии для описания кислотно-основных и рРм[_-спсктроскопии для описания комплексообразующих свойств полиэлектролитов и поверхностных функциональных групп. Впервые в рамках непрерывной модели продемонстрирована возможность расчета спектров констант комплексообразования с учетом кислотно-основных свойств лиганда применительно к экспериментальным данным, содержащим случайные ошибки.

2. Впервые показано, что совместная обработка данных, полученных в ходе ком-плексометрического титрования с двумя индикаторными электродами (рН- и ИСЭ), с применением метода рРм1.-спектроскопии позволяет рассчитывать константы нестойкости комплексов с ррмь Д° 13 ед., что на 5-6 порядков превышает возможности потенциометрического титрования с коммерчески доступными ИСЭ, предел обнаружения которых не превышает 10"7М. Определены границы применения методов рК- и рР^-спектроскопии для обработки результатов потенциометрического кислотно-основного и комплексометриче-ского титрования. Установлено, что методы рК-спектроскопии и рРщ,-спектроскопии позволяют разделять компоненты сложных систем со средними константами равновесий, отличающимися на 0.75 log. ед.

3. С применением обобщенной модели ионных равновесий впервые рассчитаны рК-спектры Ы-(2-карбоксиэтил) хитозанов (КЭХ), спектры условных констант нестойкости комплексов КЭХ с ионами Си2+ (рРмь-спсктры). Доказано, что структурная гетерогенность (сложный мономерный состав) оказывает значительное влияние на характер рК- и рРмь-спсктров, а учет ассиметричности функций распределения обеспечивает более точное предсказание изоэлектри-ческих точек полиамфолитов по сравнению с расчетами на основе дискретных констант ионизации. Показано, что с использованием предложенной непрерывной модели ионных равновесий возможен расчет ЗБ диаграмм вкладов высокоаффинных и низкоаффинных центров в связывание ионов металлов в пространстве рН/рМ и установление корреляции между СЗ и комплексообра-зующими свойствами полиэлектролитов, что позволяет использовать предложенную модель при оптимизации СЗ при синтезе производных, применяемых в качестве флокулянтов и хелатирующих флокулянтов.

4. Впервые проведены сравнительные исследования ионогенных свойств серии гуминовых веществ (ГВ) методами коллоидного титрования и потенциомет-рического титрования с применением рК-спектроскопии. Установлена корреляция между протолитическими и коллоидными свойствами "ТВ, стехиометрией образования полиэлектролитных комплексов с катионными флокулянтами и эффективностью удаления ГВ в процессах водоподготовки. Показано, что применение хитозана и флокулирующих композиций хитозан-неорганический коагулянт обеспечивают повышение эффективности очистки вод по сравнению с традиционными флокулирующими композициями на основе сополимеров акриламида.

5. Впервые показано, что механизм флокуляции эмульсий и латексов хитозаном и его амфифильными производными зависит от плотности заряда поверхности. Доказано, что в присутствии ПАВ гидрофобная модификация хитозана позволяет повысить эффективность извлечения гидрофобных коллоидов с низким зарядом поверхности, сохраняющих стабильность в присутствии кати-онных флокулянтов. Впервые установлено, что использование хитозана, его амфифильных производных и флокулирующих композиций на их основе позволяет снизить содержание нефтепродуктов в водах, очищенных методом флокуляции, в 2-3 раза по отношению к параметрам, достигаемым с применением товарных катионных флокулянтов.

6. Впервые исследовано влияние степени катионного замещения и разветвленной структуры амилопектина на флокулирующие и связующие свойства, а также адсорбционное поведение на поверхности целлюлозного волокна высо-кокатионных крахмалов со степенью замещения 0.25 - 1.54. На основании нелинейной зависимости кажущейся плотности заряда от СЗ для крахмалов с С3>0.7 и установленных величин поверхностного содержания катионных крахмалов, обеспечивающих удержание наполнителя (до 35 массовых %) на модифицированном целлюлозном волокне, показано, что оптимальная степень катионного замещения крахмала может быть ограничена 0.6-0.7.

7. Предложены методы получения стабильных ковалентно привитых покрытий хитозана на активированном плазмой полипропилене и якорных слоях сополимеров малеинового ангидрида и полиглицидилметакрилата. С применением метода РФЭС, электрокинетического анализа поверхности и эллипсометрии доказан ковалентный характер связывания хитозана с поверхностью с вовлечением 30-40% аминогрупп хитозана.

8. Исследован механизм формирования полиэлектролитных мультислойных покрытий хитозан/каррагинан. Впервые показано, что независимо от типа карра-гинана и солевого фона наблюдается экспоненциальный характер роста муль-тислоев, при этом инкремент увеличения толщины пленки в процессе формирования контролируется рН, ионной силой и солевым составом растворов, а также конформацией каррагинана.

9. Впервые в режиме контактной адгезии исследованы антимикробные свойства хитозан-содержащих покрытий. Установлено, что мультислои хитозан/каррагинан обеспечивают снижение адгезии бактерий 50-100 раз, а менее гидратированные ковалентно привитые покрытия - в 10-20 по отношению к контролю. Показано, что снижение жизнестойкости бактерий на поверхности, модифицированной с применением кватернизованных амфифильных хитоза-нов, зависит от фазы развития бактерий.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК:

1. Братская С.Ю. Полнслойные и ковалентно привитые функциональные покрытия на основе полисахаридов для предотвращения бактериальной адгезии // Вестник ДВО РАН. - 2009. - № 2. - С.84 - 92.

2. Bratskaya S., Pestov A., Yatluk Yu., Avramenko V. Heavy metals removal by flocculation/precipitation using N-(2-carboxyethyl)chitosans // Colloids Surf. A. -2009. - Vol. 339. - № 1-3. - P. 140-144.

3. Bratskaya S., Golikov A., Lutsenko Т., Nesterova O., Dudarchik V. Charge characteristics of humic and fulvic acids: Comparative analysis by colloid titration and potentiometric titration with continuous pK-distribution function model // Chemosphere. - 2008. - Vol.73. - № 4. - P. 557-563.

4. Davydova V. N., Bratskaya S. Yu., Gorbach V. Г., Solov'eva T. F., Kaca W., Yer-mak I.M. Comparative study of electrokinetic potentials and binding affinity of lipopolysaccharides-chitosan complexes // Biophys. Chem. - 2008. - Vol. 136. -№ l.-P. 1-6.

5. Авраменко В.А., Братская С.Ю., Егорин A.M., Марковцева Т.Г., Рябушкин А.Н., Harjula R. Наноразмерные латексы, содержащие полиакриловую кислоту, и их роль в переносе и фиксации радионуклидов на объектах атомной энергетики // Вопросы радиационной безопасности. - 2008. - № 4. - С. 2330.

6. Авраменко В.А., Братская С.Ю., Егорин A.M., Царев С.А., Сергиенко В.И. Коллоидно-устойчивые наноразмерные селективные сорбенты для дезактивации сыпучих материалов // Докл. Акад. наук. - 2008. - Т. 422. - № 5. -

C. 625-628.

7. Братская С.Ю., Schwarz S., Liebert Т., Heinze Т. Флокулирутощие и связующие свойства высокозамещенных катионных крахмалов // Ж. прикл. химии. - 2008. - Т. 81. -№ 5. - С. 824-829.

8. Bratskaya S.,Marinin D., Simon F., Synytska A.,Zschoche S.,Busscher H.J., Jager

D., van der Mei H.C. Adhesion and viability of two enterococcal strains on cova-lently grafted chitosan and chitosan/K-carrageenan multilayers // Biomacro-molecules. - 2007. - Vol. 8. - № 9. - p. 2960-2968.

9. Bratskaya S., Schwarz S., Jaeger W., Petzold G., Bratskaya S., Heinze Т., Liebert Т., Krentz O., Kulicke W.-M., Paulke B.-R. Solid/fluid-separation with synthetic

and natural polymers // Chemie Ingenieur Technik. - 2006. - V. 78. - P. 10931099.

10. Братская С.Ю., Червонецкий Д.В., Авраменко В.А., Юдаков A.A., Юхкам A.A., Сергиенко В.И. Полисахариды в процессах водоподготовки и переработки сточных вод различного состава // Вестник ДВО РАН. - 2006. - № 5. -С. 47-56.

11. Bratskaya S., Schwarz S., Petzold G., Liebert Т., Heinze T. Cationic starches of high degree of functionalization: 12. Modification of cellulose fibers toward high filler technology in papermaking // Ind. Eng. Chem. Res. - 2006. - Vol. 45. - № 22.-P. 7374-7379.

12. Bratskaya S., Avramenko V., Schwarz S., Philippova I. Enhanced flocculation of oil-in-water emulsions by hydrophobically modified chitosan derivatives // Colloid Surface A. -2006. -Vol. 275. -№ 1-3. -P. 168-176.

13. Krentz D.O., Lohmann C., Schwarz S., Bratskaya S., Liebert Т., Laube J., Heinze Т., Kulicke W.-M. Properties and flocculation efficiency of highly cationized starch derivatives//Starch. - 2006. - Vol. 58.-№3-4.-P. 161-169.

14. Bratskaya S., Schwarz S., Laube J., Liebert Т., Heinze Т., Krentz O., Lohmann C., Kulicke W.-M. Effect of polyelectrolyte structural features on flocculation behavior: Cationic polysaccharides vs. synthetic polycations // Macromol. Mater. Eng. -2005. - Vol. 290. - № 8. - P. 778-785.

15. Bratskaya S., Schwarz S., Liebert Т., Heinze T. Starch derivatives of high degree of functionalization 10. Flocculation of kaolin dispersions // Colloid Surface A. -2005.-Vol. 254.-№ 1-3.-P. 75-80.

16. Bratskaya S, Marinin D, Nitschke M, Pleul D, Schwarz S, Simon F. Polypropylene surface functionalization with chitosan // J. Adhesion Sei. Technol. - 2004. -Vol. 18.-№ 10.-P. 1173-1186.

17. Bratskaya S., Schwarz S., Chervonetsky D. Comparative study of humic acids flocculation with chitosan hydrochloride and chitosan glutamate // Water Res. -2004. - Vol. 38. - № 12. - P. 2955-2961.

18. Зонова Е.Б., Братская С.Ю., Артемьянов А.П., Моргун Н.П., Хабалов В.В., Кондриков Н.Б. Сравнительное исследование природы поверхности химически и электрохимически модифицированного углеродного волокна // Известия ВУЗов. Химия хим. технол. - 2004. - Т. 47. - № 2. - С. 7-11.

19. Шевелева И.В., Авраменко В.А., Братская С.Ю. Влияние кислотности среды и поляризации поверхности на адсорбцию альбумина углеродными волокнами // Изв. АН СССР. Сер. хим. - 2002. - № 6. - Р. 925-927.

20. Братская С.Ю., Авраменко В.А., Суховерхов С.В., Шварц С. Флокуляция гу-миновых веществ и их производных хитозаном // Коллоид, ж. - 2002. - Т. 64. - № 6. - С. 756-761.

21. Shamov M.V., Bratskaya S.Yu., Avramenko V.A. Interaction of carboxylic acids with chitosan: Effect of pK and hydrocarbon chain length // J. Colloid Interface Sci. - 2002. - Vol. 249. - № 2. - P. 316-321.

22. Братская С.Ю. Авраменко B.A. Сорбция анионных полисахаридов и бычьего сывороточного альбумина на макропористых стеклах // Коллоид, ж. - 2001. -Т. 63,-№2.-С. 156-160.

23. Братская С.Ю., Голиков А.П. Использование метода функций плотности при интерпретации результатов потенциометрического титрования смесей слабых кислот и оснований // Ж. анал. химии. - 1998. - Т. 53. - № 3. - С. 265271.

Патенты

1. Патент РФ № 2253625 - Способ очистки воды и комплексный флокулянт для осуществления способа / Червонецкий Д.В., Братская С.Ю., Авраменко В.А., Сергиенко В.И. - Опубл. 10.06.2005, БИ №. 16.

2. Патент РФ № 2288771 - Способ разрушения стабилизированных эмульсий / Авраменко В.А., Братская С.Ю., Сергиенко В.И., Филиппова И.А., Юдаков

A.А.-Опубл. 10.12.2006, БИ№34.

3. Патент РФ № 2279405 - Способ очистки вод от нефтепродуктов / Авраменко

B.А., Братская С.Ю., Железной В.В., Сергиенко В.И., Филиппова И.А., Юдаков А.А., Юхкам А.А. - Опубл. 10.07.2006, БИ № 19.

Основные публикации в сборниках материалов конференций

1. Bratskaya S.Yu., Golikov А.Р., Pestov A.V., Voit A.V., Yatluk Yu.G., Avramenko V.A. A generalized model of protolytic, complexing, and colloidal properties of polyelectrolytes. Case study: N-(2-carboxyethyl)chitosans // Proceedings of the 9th International Conference of the European Chitin Society. - Venice, Italy, May 23-26, 2009 (5 стр.).

2. Bratskaya S.Yu., Marinin D.V., Simon F., Zschoche S., van der Mei H.C., Busscher H.J. Multilayers and covalently grafted coatings based on chitosan and its derivatives for prevention of bacteria adhesion // Proceedings of the 9th International Conference of the European Chitin Society. - Venice, Italy, May 23-26, 2009 (6 стр.).

3. Авраменко B.A, Братская С.Ю., Егорин A.M., Царев СЛ., Сергиенко В.И. Коллоидно-устойчивые селективные сорбенты для дезактивации сыпучих материалов // Сб. мат-лов Международного симпозиума по сорбции и экстракции. - Владивосток, 29 сентября-3 октября 2008 г. - С. 229-233.

4. Братская С.Ю., Маринин Д.В., Simon F., Zschoche S. Ковалентная иммобилизация хитозана на поверхностях с якорными слоями синтетических полимеров, содержащих эпоксидные и ангидридные функциональные группы // Мат-лы 9-й Международной конференции «Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана». - Ставрополь, 13-17 октября 2008 г. - С. 1417.

5. Братская С.Ю., Пестов А.В., Голиков А.П., Ятлук Ю.Г., Авраменко В.А. Кислотно-основные и коллоидные свойства (М-(2-карбоксиэтил)хитозанов // Мат-лы 9-й Международной конференции «Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана». - Ставрополь, 13-17 октября 2008 г. - С. 4952.

6. Bratskaya S., Golikov A., Marinin D., Avramenko V. Calculation of complex formation constants spcctra for functional polymers: Joint processing of acid-base and ISE titration data // Proceedings of 10th Pacific Polymer Conference. - Kobe, Japan, December 4-9, 2007. - CD-ROM paper.

7. Bratskaya S., Marinin D., Simon F., Synytska A., Busscher H.J., Jager D., van der Mei H.C. Adhesion and viability of two enterococcal strains on chitosan/K-carrageenan multilayers // Proceedings of 8th International Conference of the European Chitin Society. - Antalya, Turkey, September 8-11, 2007. - P. 159.

8. Bratskaya S., Marinin D., Nitschke M., Pleul D., Simon F., Zschoche S. Chitosan-based coatings on hydrophilic and hydrophobic surfaces // Advances in Chitin Science and Technology: Proceedings of the 7th Asia-Pacific Chitin and Chitosan Symposium. -Bexco, Busan, Korea, April 23-26, 2006. - P. 349-351.

9. Bratskaya S., Chervonetsky D., Yukhkam A., Yudakov A., Avramenko V. Large-scale introduction of chitosan-based flocculation compositions // Advances in Chi-

tin Science and Technology: Proceedings of the 7th Asia-Pacific Chitin and Chito-san Symposium. - Bexco, Busan, Korea, April 23-26, 2006. - P. 425-427.

10. Bratskaya S., Avramenko V., Schwarz S., Philippova I. Chitosan and its amphi-philic derivatives in breaking of oil-in-water emulsions // Proceedings of 6th Liquid Matter Conference of the European Physical Society. - Utrecht, the Netherlands, July 2-6, 2005. - P. 169.

11. Golikov A., Bratskaya S., Lutzenko Т., Soukhoverkhov S. Regularization method in pK-spectroscopy: Application to humic substances // Proceedings of 6th Liquid Matter Conference of the European Physical Society. - Utrecht, the Netherlands, July 2-6,2005. - P. 131.

12. Bratskaya S., Schwarz S., Laube J., Liebert Т., Heinze Т., Krentz O., Lohmann C., Kulicke W.-M. Highly substituted cationic starches: Flocculation and dewatering properties // Proceedings of the 19th Conference of the European Colloid and Interface Society. - Geilo, Norway, September 18-23, 2005. - P. 132.

13. Bratskaya S., Schwarz S., Laube J., Liebert Т., Heinze Т., Krentz O., Lohmann C., Kulicke W.-M. Effect of structural features on cationic starch flocculation behavior // Proceedings of European Polymer Congress. - Moscow, June 27-July 1, 2005.-P. 78.

14. Братская С.Ю., Голиков А.П., Луценко Т.Н. Метод рК-спетроскопии в исследовании кислотно-основных свойств гуминовых веществ // Мат-лы VIII Докучаевских молодежных чтений «Органическое вещество почв наземных экосистем. - Санкт-Петербург, 1- 3 марта 2005 г. - С. 176-177.

15. Bratskaya S., Schwarz S., Avramenko V.A. The interaction of humic acids with chitosan // Proceedings of Jahrestagung of Water Chemical Society. - Stade, Germany, 26-28 May, 2003. - P. 465-467.

16. Bratskaya S., Avramenko V.A., Schwarz S. Chitosan in water treatment // Proceedings of the Conference on Water Resources and Environment Research. -Dresden, Germany, July 22-26, 2002. - Vol. 3. - P. 145-147.

17. Bratskaya S., Shamov M.V., Avramenko V.A., Chervonetsky D.V. Colloid-chemical properties of chitosan // Studies in Surface Science and Catalysis. -2001.-V. 132.-P. 221-224.

Светлана Юрьевна БРАТСКАЯ

ИОНОГЕННЫЕ СВОЙСТВА ПРИРОДНЫХ ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТОВ И ИХ ПРОИЗВОДНЫХ

Автореферат

Подписано к печати 02.08.2009 г. Формат 60x90/16. Печать офсетная. Усл. п. л. 3,06. Уч.-изд. л. 2,92. Тираж 100 экз. Заказ 87

Отпечатано в типографии ФГУП Издательство «Дапьнаука» ДВО РАН 690041, г. Владивосток, ул. Радио,7

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. КИСЛОТНО-ОСНОВНОЕ РАВНОВЕСИЕ И КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЕ В РАСТВОРАХ ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТОВ

1.1. Методы расчета дискретных констант равновесий

1.2. Непрерывные модели ионных равновесий

1.3. Обобщенная непрерывная модель ионных равновесий и обоснование ее применимости для анализа связывания протонов и ионов металлов полиэлектролитами и поверхностными функциональными группами

Современный интерес к природным полиэлектролитам выходит далеко за пределы фундаментальных исследований, связанных с углублением понимания их роли в био- и геохимических процессах. Уникальность строения и функциональное разнообразие в сочетании с биосовместимостью, биоразлагаемостью, экологической безопасностью и возможностью направленной химической модификации открывают практически безграничные возможности применения природных полиэлектролитов в катализе, медицине и биоинженерии, текстильной и бумажной промышленности, процессах извлечения, разделения и концентрирования ионов металлов и органических веществ, а также других областях науки и технологии.

Важной особенностью природных полиэлектролитов является их структурная гетерогенность, обусловленная присутствием нескольких типов функциональных групп, различной степенью разветвленности макромолекул, изменчивостью соотношения и взаимного расположения звеньев в гетерополимерах, широким молекулярно-массовым распределением и наличием специфических конформационных состояний. Широко применяемая в настоящее время химическая модификация природных полиэлектролитов, направленная на повышение комплексообразующей и сорбционной способности, усиление биологической активности, изменение фазового поведения в растворах, также вносит дополнительный вклад в структурную гетерогенность. Следствием сложного строения и взаимного влияния функциональных групп в макромолекулах природных полиэлектролитов является непрерывность изменения их ионогенных свойств и некорректность применения для их описания дискретных моделей равновесий.

Принимая во внимание исключительно важную роль ионных взаимодействий полиэлектролитов в растворах и на границах раздела фаз, очевидна актуальность разработки методов количественного анализа кислотно-основных и комплексообразующих свойств природных полиэлектролитов и их производных с учетом фактора структурной гетерогенности и использования полученной информации для установления корреляций «структура - физико-химические свойства - эффективность в технологических процессах» и оптимизации условий применения природных полимеров в качестве ионитов, сорбентов, флокулянтов и других материалов специального назначения.

Цель работызаключалась в разработке и верификации нового подхода к анализу ионных равновесий в растворах полиэлектролитов с учетом фактора структурной и энергетической гетерогенности — непрерывной обобщенной модели ионных равновесий; а также в установлении закономерностей влияния структурных особенностей ряда природных полиэлектролитов и их производных на эффективность разделения фаз в дисперсных системах и направленной модификации поверхностных свойств материалов.

Для достижения поставленной цели решались следующие научные задачи:

- Верификация методов расчета непрерывных спектров констант кислотно-основных равновесий (рК-спектроскопии) и равновесий комплексообразования (рРмь-спектроскопии) в модельных системах низкомолекулярных веществ и системах, численно сгенерированных с применением имитационного моделирования.

- Применение обобщенной модели ионных равновесий (рК- и р(3Мь-спектроскопии) к исследованию свойств функциональных производных хитозана - Ы-(2-карбоксиэтил) хитозанов (КЭХ) и установление корреляции между степенью замещения (СЗ), кислотно-основными, коллоидными и комплексообразующими свойствами КЭХ.

- Установление закономерностей влияния кислотно-основных свойств и молекулярно-массового распределения гуминовых веществ (ГВ) на стехиометрию образования полиэлектролитных комплексов с поликатионами и эффективность удаления ГВ в процессах водоподготовки.

- Исследование эффективности процессов извлечения гидрофобных загрязняющих веществ с применением хитозана, его гидрофобно модифицированных производных и флокулирующих композиций на их основе.

- Установление влияния СЗ и разветвленной структуры амилопектина на коллоидные свойства и адсорбционное поведение высококатионных крахмалов. Оптимизация СЗ катионных крахмалов для применения в качестве флокулянтов и связующих агентов в системах удерживания наполнителей на поверхности целлюлозных волокон.

- Применение хитозана, его производных и их полиэлектролитных комплексов с каррагинанами для получения функциональных покрытий биомедицинского назначения, предотвращающих бактериальную адгезию.

Достоверность полученных результатов обеспечена применением совокупности взаимодополняющих физико-химических методов исследования (ВЭЖХ, атомно-абсорбционная спектроскопия, РФЭС, *Н ЯМР, фотон-корреляционная спектроскопия, электрокинетический анализ поверхности, АСМ, эллипсометрия, лазерный электрофорез, коллоидное и потенциометрическое титрование), а также непротиворечивостью выводов работы современным представлениям о структуре и свойствах природных полиэлектролитов и их поведении в растворах и на границах раздела фаз.

Научная новизна

Предложен и экспериментально обоснован новый подход к исследованию протолитических и комплексообразующих свойств полиэлектролитов в рамках непрерывной обобщенной модели, позволяющей рассчитывать непрерывные спектры констант ионных равновесий без предварительной информации о составе системы.

Введен новый принцип получения и обработки экспериментальных данных комплексометрического потенциометрического титрования полимерных лигандов с использованием двух индикаторных электродов - рНэлектрода и ион-селективного электрода (ИСЭ), что позволяет существенно расширить возможности метода при исследовании комплексов с ^(Кмь)-*?

Доказана возможность использования обобщенной модели ионных равновесий для установления корреляции между СЗ, структурной гетерогенностью, кислотно-основными, комплексообразующими и коллоидными свойствами функциональных производных природных полиэлектролитов. Для КЭХ с диапазоном СЗ 0.5-1.6 установлено влияние гетерогенности мономерного состава производных на характер рК- и рРмь-спектров и механизмы координации ионов Си2+. Показано, что с использованием предложенной непрерывной модели ионных равновесий возможен расчет 3D диаграмм вкладов высокоаффинных и низкоаффинных центров в связывание ионов металлов в пространстве рН/рМ.

Впервые исследованы флокулирующие свойства, сорбция на целлюлозном волокне и эффективность катионных крахмалов со степенью замещения до 1.54 в системах удерживания наполнителей, применяемых в бумажной промышленности. Установлено влияние разветвленной структуры амилопектина на доступность катионных центров при взаимодействии с анионными полиэлектролитами, эффективность разделения фаз в дисперсиях минеральных наполнителей и особенности адсорбционного поведения крахмалов на противоположно заряженной поверхности.

Оптимизированы условия получения ковалентно привитых покрытий хитозана с использованием якорных слоев полимеров, содержащих эпокси- и ангидридные группы, исследованы характеристики покрытий, определена степень вовлеченности аминогрупп хитозана в ковалентное связывание. Исследованы особенности экспоненциального типа роста мультислойных полиэлектролитных пленок хитозан/каррагинан в зависимости от рН, солевого состава, типа и конформации каррагинана. Установлена зависимость между способом получения хитозан-содержащих покрытий, гидрофильностью, электрокинетическими свойствами поверхности и эффективностью предотвращения бактериальной адгезии.

Основные положения, выносимые на защиту

- Непрерывная обобщенная модель ионных равновесий и ее верификация. Новый подход к исследованию равновесий комплексообразования в растворах полиэлектролитов методом комплексометрического потенциометрического титрования с двумя индикаторными электродами - ИСЭ и рН-электродом.

Корреляция между СЗ, структурной гетерогенностью, протолитическими, комплексообразующими и коллоидными свойствами карбоксиэтилированных производных хитозана в рамках непрерывной модели ионных равновесий.

- Совокупность закономерностей влияния структурных особенностей природных полиэлектролитов (вариабельности кислотно-основных свойств, молекулярно-массового распределения, степени функционализации, степени разветвленности) на стехиометрию образования полиэлектролитных комплексов, адсорбционное поведение и флокулирующие свойства в системах - ГВ/катионные флокулянты; высококатионные крахмалы/наполнители/целлюлозные волокна; эмульсии масло-в-воде и дисперсии латексных частиц.

- Закономерности экспоненциального типа роста полиэлектролитных мультислоев хитозан/каррагинан в зависимости от рН, солевого состава, структуры и конформации каррагинана. Зависимость эффективности предотвращения бактериальной адгезии на хитозан-содержащих покрытиях от способа их способа их получения (ковалентная иммобилизация и формирование на поверхности полиэлектролитных комплексов), гидрофильности и электрокинетических свойств поверхности.

Практическая значимость

Предложенная обобщенная модель ионных равновесий может быть использована для расчета констант связывания ионов металлов в геохимических моделях, оценки биодоступности и токсичности ионов тяжелых металлов, возможности использования природных и синтетических высокомолекулярных веществ в качестве детоксикантов и реагентов для извлечения ионов металлов из техногенных сточных вод.

Установлен оптимальный диапазон степени карбоксиэтилирования хитозанов для применения в качестве флокулянтов и хелатирующих флокулянтов. Установлен ряд практически важных закономерностей влияния плотности ионогенных функциональных групп, молекулярно-массового распределения, степени гидрофобного замещения природных полиэлектролитов на стехиометрию образования полиэлектролитных комплексов и механизмы извлечения гидрофобных загрязняющих веществ и полимерных латексов. Определен оптимальный диапазон СЗ высококатионных крахмалов для применения в качестве флокулянтов и связующих веществ.

На основе проведенных исследований предложены новые способы повышения эффективности процессов водоподготовки (патент РФ № 2253625) и переработки сточных вод, содержащих гидрофобные загрязняющие вещества (патенты РФ № 2288771, № 2279405) с применением хитозана, его гидрофобно модифицированных производных и флокулирующих композиций на их основе. Получены санитарно-эпидемиологические заключения о соответствии флокулянтов «Инстафлок» (ТУ-№ 2163-008-02698192-2004) и «Хитофлок» (ТУ-№ 2163-007-02698192-2005) санитарным правилам СанПиН 2.1.4.1074-01 для применения в питьевом водоснабжении, технология водоподготовки с флокулянтами на основе хитозана была внедрена на ряде предприятий Приморского края.

На объектах «ДальРАО» и «КнААПО» с положительным результатом проведены испытания способа удаления эмульгированных нефтепродуктов с применением хитозана и гидрофобизированных фильтрующих материалов. По результатам испытаний на Чернобыльской АЭС получено положительное заключение об эффективности использования флокулирующих композиций на основе хитозана для удаления из сточных вод латексных пылеподавителей и альфа-излучателей.

Личный вклад автора заключался в выборе направления, объектов и методологии исследования; получении основной части экспериментальных данных, их обработке и интерпретации, формулировании выводов и подготовке публикаций по теме диссертации. Вклад автора в прикладные разработки в составе авторского коллектива сотрудников Института химии ДВО РАН составлял 25%. Математическая реализация методов рК- и р(3Мь — спектроскопии и разработка программного комплекса для расчета констант равновесий, использованного при выполнении работы, осуществлена к.х.н., н.с. Голиковым А.П., ИХ ДВО РАН Квантовохимические расчеты устойчивости комплексов КЭХ-Cu проведены н.с. Войтом А.В., ИХ ДВО РАН. Результаты использования хитозана и флокулирующих композиций на его основе для очистки поверхностных вод от ГВ получены совместно с н.с. ИХ ДВО РАН Червонецким Д.В. и будут использованы в его диссертации на соискание степени кандидата химических наук. Автор также выражает признательность за плодотворное сотрудничество к.х.н. Пестову А.В., д.х.н. Ятлуку Ю.Г. (ИОС УрО РАН, г. Екатеринбург), докторам Симоне Шварц и Франку Симону (Лейбниц Институт полимерных исследований, г. Дрезден, Германия) и профессорам Хенни ван дер Мэй и Хендрику Бушеру (Медицинский центр Университета г. Гронинген, Нидерланды).

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены на 9-ой Международной конференции «Современные перспективы в th исследовании хитина и хитозана» (Ставрополь, 2008); 8 World Biomaterials tb

Congress (Амстердам, Нидерланды, 2008); 10 Pacific Polymer Conference (Кобе, Япония, 2007); 8th International Conference of the European Chitin Society (Анталья, Турция, 2007); 10th ICCC - EUCHIS '06 (Монпелье, Франция, 2006); 7th Asia-Pacific Chitin and Chitosan Symposium (Пусан, Корея, 2006); 10th Dresden Polymer Discussion: Characterization of Polymer Surfaces and Thin Films (Майсен, Германия, 2005); 6th Liquid Matter Conference of the European Physical Society

Утрехт, Нидерланды, 2005); 19th Conference of the European Colloid and Interface Society (Гейло, Норвегия, 2005); European Polymer Congress (Москва, 2005); MACRO 2004 World Polymer Congress (Париж, Франция, 2004); 17th Conference of European Colloid and Interface Society (Флоренция, Италия, 2003); International Conference on Water Resources and Environment Research (Дрезден, Германия, 2002); International Conference 'Festkorper-analytik' (Кемниц, Германия, 2001); International Conference on Colloid and Surface Science (Токио, Япония, 2000).

Публикации по теме диссертации

По теме диссертации опубликовано 65 печатных работ, из них 23 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, получено 3 патента РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и приложений. Работа изложена на 359 страницах, содержит 97 рис., 22 таблицы, список цитированной литературы - 459 источников.

5.7. Заключение

Рассмотрены два альтернативных подхода к получению на поверхности биомедицинских устройств антиадгезивных наноразмерных функциональных покрытий, содержащих ионогенные полисахариды - методы ковалентной иммобилизации хитозана и его производных и формирования мультислойных полиэлектролитных комплексов хитозана и каррагинанов. Изучены возможности контроля архитектуры и физико-химических свойств покрытий за счет изменения степени протонизации хитозана и конформационного состояния каррагинана. На примере бактерий Е. faecalis показано, что оба типа покрытий позволяют значительно снизить бактериальную адгезию в контактном режиме, при этом мультислои хитозан/каррагинан обеспечивают снижение адгезии в 50-100 раз, а менее гидратированные ковалентно привитые покрытия - в 10-20. Получены данные о зависимости жизнестойкости бактерий на модифицированных поверхностях от фазы развития бактерий и показано, что антибактериальная активность полиэлектролита в свободном и закрепленном на поверхности состоянии может существенно отличаться.

1. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. М. : Наука, 1979.-288 с.

2. Lawson C.L., Hanson R.J. / In: Solving Least Squares Problems. Prentice-Hall, 1974.

3. Hertwig R.H., Koch W. On the parameterization of the local correlation functional. What is Becke-3-LYP? // Chem. Phys. Lett. 1997. - Vol. 268. - № 5-6. - P. 345-351.

4. Ditchfield R., Hehre W.J., Pople J.A. Self-consistent molecular-orbital methods. IX. An extended Gaussian-type basis for molecular-orbital studies of organic molecules // J. Chem. Phys. 1971. - Vol. 54. - № 2. - P. 724-728.

5. Hehre W.J., Ditchfield R., Pople J.A. Self-consistent molecular-orbital methods. XII. Further extensions of Gaussian-type basis sets for use in molecularorbital studies of organic molecules // J. Chem. Phys. 1972. - Vol. 56. - № 5. -P. 2257-2261.

6. Mitin A.V., Baker J., Pulay P. An improved 6-31G* basis set for first-row transition metals // J. Chem. Phys. 2003. - Vol. 118. - № 17. - P. 77757782.

7. Li H., Jensen J.H. Improving the efficiency and convergence of geometry optimization with the polarizable continuum model: New energy gradients and molecular surface tessellation // J. Comput. Chem. 2004. - Vol. 25. - № 12. -P. 1449-1462.

8. Ш.Л1 Г\ЛЬИ ЧЯ С.1Л ><Ь\(ЮН 4,1 и»г>kow.pi. ишиш ш'\|» hoi п ыпиц ,t и ?v м one п чин mj-iouv к\

9. Инг,- пут хаи ,1 дао РАН {'380322, г Bn i-'tiOCTOi went*- 1С0 nut Впаяивс зтек> 1' > Росс».ч>л.<1. Скйкршцлч

10. СО ОТВЕТ ' ШУЮ . ."ш1ТГи11 ПГт I "JgfiUaWhitt;, !acy^ рстсс -пиц,йрчо

11. Ш'ДОМ ТОПОГМЧОСКИМ пропиппм Я ЬСфМО {и'к} чаоу зль о™ ше шмеле ia>w нитзр 4 пг?г <j

12. С:. (ПиН 21 ! 107й ul "Плтьеойч вода Пене юг- о.ла тре знания к талы цькграгоеовэкчых

13. В ( Ф1 П J\MM ! 1 1 IIOI f'l I.И i i II И It !>,! M ОНО n ihv i i НИИ К ч

14. СаиПиН 2 1 4 1074-01 "Плтъева i г "да Г». не* < ~ треОООЭиИЧ t- iSMlCTcy ВОДЫ L,eHTparms«KJM4< ч cvc-e* rvtt>u?ot> ведокнас^я-виия Кг/чтралс « J -Tti-4 ГН 2 1 5 13tb 03 "Лредопьио-дог^ичые

15. Ochoc'ii'/cr/ < ссотзотствук• норчаттеа"3i еСй'я орсйсгарлбн"ьх док^мосов roo'i е.стм>к \м (но осударсгве^ныч етнитарно згп»з<п" «опоги^рг ват 1