Determination of the concentration of high-molecular water-soluble polymer used in the development of a new type of feed additive

Cover Page

Abstract


High molecular weight water soluble nanoscale polymers (HWP) have different functional functions and different applications. For the first time in livestock, we applied GDP in feeding ruminants to increase their dairy and meat productivity. When developing an innovative feed additive based on nanosized anionic polymers, it is necessary to study their properties, for this purpose it is necessary to determine the presence of these polymers in aqueous solutions. Currently, there are several basic methods for determining the concentration of HWP in water. However, they have significant disadvantages, including complexity of execution, duration of the process, use of aggressive reagents, necessity to use expensive equipment. Our rapid method of quantifying anionic HWP is simple, accurate and inexpensive. The method is based on the flocculating properties of polymers. The method envisages preparation of basic and auxiliary solutions of golden ochre pigment and saturated solution of mixture of sodium and potassium chloride salts, determination of time of gold ochre pigment settling in «idle» test and in analysed solutions. Formulas for calculation of ochre sedimentation rate and polymer concentration are given. The method can be used in the concentration range of anionic polymers 0.0001 ÷ 0.5 mg/ml. The express method is intended for specialists of chemical laboratories of industrial and agricultural enterprises, scientific and medical institutions.


Full Text

Высокомолекулярные водорастворимые наноразмерные полимеры (ВВП) в зависимости от состава и строения имеют разное функциональное назначение и различные области применения: в оборонной промышленности, при производстве бумаги, в добыче полезных ископаемых, в сельском хозяйстве, медицине и в других отраслях [1-3]. В животноводстве нами впервые был применен ВВП в кормлении жвачных животных с целью повышения их молочной и мясной продуктивности [4-7]. Основное свойство этих полимеров – способность образовывать белок-полимерные комплексы – может быть использовано для снижения распада кормовых протеинов в рубце жвачных; способность взаимодействовать с плазматической мембраной – для усиления всасывания питательных веществ; способность связываться с ферментами – для повышения пищеварительной активности желудочно-кишечного тракта. Все вышеупомянутое способствует увеличению продуктивности животных.

При разработке инновационной кормовой добавки на основе наноразмерных полимеров необходимо изучение их свойств, прежде всего, определение присутствия этих полимеров в водных растворах. В настоящее время существует несколько основных методов определения концентрации ВВП в воде: адсорбционно-фотометрический, седиментационный, фильтрационный и гидролиза полимера кислотой или щелочью [8-12]. Однако эти методы имеют существенные недостатки: во-первых, сложность из-за использования большого числа операций; во-вторых, длительность процесса, особенно на стадиях колоночной сорбции или фильтрации; в-третьих, применение в работе агрессивных реагентов (концентрированной серной кислоты, щелочи и других); и в четвертых, наличие дорогостоящего спектрометрического оборудования. Таким образом, возникает задача разработки более доступного метода определения содержания ВВП, не требующего сложного оборудования и специальной подготовки сотрудников, применимого в условиях лабораторий и предприятий сельского хозяйства.

Целью исследований была разработка простого, точного и недорогого экспресс-метода количественного определения ВВП в водных растворах. Разработанный метод устанавливает принцип количественного определения в воде содержания анионных ВВП при концентрации полимера от 0,0001 ÷ 0,5 мг/мл. Новизна исследований заключается в том, что впервые при количественном определении анионных высокомолекулярных полимеров в растворах используются только их уникальные флокулирующие свойства [13-15].

Методика. В качестве ВВП использовали высокомолекулярный водорастворимый анионный полимер, имеющий линейную структуру молекулы и молекулярную массу 105 ÷ 106 дальтон; в качестве сорбента полимера – пигмент «охра сухая золотистая», а также применяли насыщенный раствор солей NaCl и KCl. Для определения концентрации ВВП было использовано флокулирующее свойство полимера – способность образовывать крупные агрегаты (флокулы), которые под действием силы тяжести быстро оседают.

Флокуляция происходит вследствие адсорбции макромолекул полимера в результате их физического или химического связывания с поверхностью частиц сорбента – охры – по механизму мостикообразования или нейтрализации зарядов. Если в анализируемом растворе присутствует высокомолекулярный полимер, то порошок охры укрупнится и будет быстро отстаиваться. Кинетика седиментации охры оценивалась по движению во времени границы раздела между осветленной и неосветленной частями суспензии. Добиться четкой границы раздела фаз возможно только при высоких концентрациях дисперсной фазы и когда седиментация происходит в режиме стесненного оседания. Поэтому для испытаний с целью определения скорости оседания взвешенных твердых частиц требуется довольно ограниченный объем. Обоснованность использования такой методики определения массовой концентрации анионных ВВП в воде по его флокулирующей способности приведена в научных работах [16,17].

Результаты и обсуждение. Для исполнения экспресс-метода по определению концентрации ВВП следует провести подготовительные работы, перечисленные ниже.

а). Подготовить необходимые приборы и реактивы: мерный цилиндр с пробкой объемом 250 мл; мерную колбу объемом 1,0 л; колбу коническую объемом 250 мл; химический стакан объемом 100 мл; натрий хлористый химически чистый; калий хлористый химически чистый; пигмент «охра золотистая», марка 02 – ТУ 301-10-019-90; вода дистиллированная; секундомер, класс 3, цена деления секундной шкалы 0,2 с.

б). Подготовить охру.

Пигмент «охра золотистая» просушить в шкафу при t =100 oC в течение 2-х часов. В коническую колбу засыпать 10 г охры, добавить 100 мл дистиллированной воды и кипятить на водяной бане 10 мин, полученную суспензию охры охладить до комнатной температуры.

в). Приготовить насыщенный раствор NaCl + KCl.

Засыпать 258 г NaCl и 120 г KCl в мерную колбу на 1 л, добавить 800 мл дистиллированной воды и кипятить на водяной бане до тех пор, пока на дне останется небольшое количество соли (осадок полностью не растворится, так как раствор насыщенный). Раствор охладить, затем довести его объем дистиллированной водой до отметки 1 л.

После проведения подготовительных работ следует перейти к выполнению самого экспресс-метода по определению концентрации ВВП, четыре этапа которого описаны ниже.

Методология

1) Определить скорость осаждения охры в «холостом» опыте.

Приготовить 4%-ую суспензию порошка охры золотистой следующим образом. В цилиндр объемом 250 мл количественно перенести подготовленную по п. б) суспензию охры и довести объем до 150 мл. На стенке цилиндра сделать отметки на расстоянии 10 см (между делениями 230 – 130 мл). К суспензии в цилиндре добавить 100 мл насыщенного раствора солей NaCl и KCl, приготовленного по п. в). Перемешать суспензию в цилиндре путем 3-х кратного его переворачивания. Определить время (Tхол) отстаивания суспензии охры по перемещению границы осветленного слоя между метками (10 см). Скорость осаждения охры (wхол) в «холостом» опыте (без полимера) рассчитать по формуле 1:

wхол = 0.1*3600/Тхол м/ч (1)

2) Определить скорость осаждения охры с добавлением анализируемого раствора (раствор №1 с неизвестной концентрацией полимера).

Добавить в цилиндр с суспензией охры небольшое количество раствора №1 (1÷5 мл), перемешать суспензию путем 3-х кратного переворачивания цилиндра и определить время перемещения осветленного слоя между метками (Танал.1.). Скорость осаждения охры в присутствии раствора №1 (wанал.1) рассчитать по формуле 2:

wанал.1 = 0,1*3600/Tанал.1 м/ч (2)

Если скорость осаждения охры при добавлении анализируемого раствора №1 (wанал.1) в сравнении с «холостым» опытом будет близка скорости осаждения охры в «холостом» опыте (wхол), то это значит, что в анализируемом растворе №1 полимер отсутствует, и его концентрация (Спол.1) равна 0. Если же скорость осаждения охры (wанал.1) значительно выше при добавлении раствора №1 в сравнении с «холостым» опытом, то в растворе присутствует полимер. Частички охры при этом значительно укрупняются, и осадок быстро оседает. В этом случае необходимо приготовить раствор полимера известной концентрации (раствор №2) и выполнять исследования по пункту в).

3) Определить скорость осаждения охры с добавлением раствора полимера известной концентрации.

Приготовить раствор полимера известной концентрации Спол.2 (раствор №2). Добавить в цилиндр с суспензией охры небольшое количество раствора №2 (1,0÷5,0 мл), перемешать суспензию путем 3-х кратного переворачивания цилиндра и определить время перемещения осветленного слоя между метками (Танал.2). Скорость осаждения охры в присутствии раствора №2 (wанал.2) рассчитать по формуле 2.

4). Провести расчет неизвестной концентрации полимера. Чтобы определить неизвестную концентрацию полимера (Спол.1) в растворе №1 (в случае большого расхождения скоростей осаждения охры в «холостом» опыте и анализируемом растворе), нужно найти соотношение скоростей перемещения осветленного слоя между метками на цилиндре в присутствии неизвестного и известного растворов. Полученный результат умножить на известную концентрацию (Спол. 2) раствора №2 по формуле 3:

 

Спол. 1 = wанал.1 /wанал.2 x Спол. 2 (3)

 

Пример определения неизвестной концентрации высокомолекулярного водорастворимого анионного полимера в водном растворе.

Обозначим раствор с неизвестной концентрацией полимера как раствор №1, а с известной концентрацией – раствор №2. Известно, что раствор №2 имеет концентрацию полимера 0,03% или 300 мг/л. В цилиндр с суспензией охры вносим 1,5 мл раствора №2. Время оседания охры (Танал.2) равно 20 с или 0,0055 ч.

Зная расстояние перемещения охры (оно всегда постоянно и равно 10 см или 0,1 м) и время прохождения этого расстояния слоем охры, определяем скорость перемещения осветленного слоя между метками в присутствии известного раствора (формула 2).

 

wанал.1 = 0.1 м / 0,0055 ч = 18,2 м/ч

 

В результате получили значение скорости осаждения охры в присутствии раствора полимера №2, имеющего концентрацию 0,03% (300 мг/л), равную 18,2 м/ч. Подобным образом определяем скорость осаждения охры неизвестного раствора. Допустим, время оседания охры с раствором №1 (Танал.1) равно 415 с (0,1153 ч), тогда скорость перемещения осветленного слоя между метками в присутствии раствора неизвестной концентрации будет равна 0,867 м/ч (см. формулу 2). Применяя формулу 3, получаем, что скорость (wанал.1) в присутствии раствора неизвестной концентрации (раствор №1) в 0,0476 раз меньше, чем (wанал..2) (раствор №2), поэтому и концентрация анализируемого раствора будет во столько же раз меньше, чем у раствора №2, то есть 0,0476 х 300 мг/л = 14,3 мг/л.

Таким образом, предлагаемый экспресс-метод количественного определения высокомолекурного водорастворимого полимера на основе флокуляции прост в исполнении, не требует больших затрат времени, позволяет работать в достаточно широком диапазоне концентраций анионных ВВП в водных растворах (0,0001÷0,5мг/мл) без использования дорогостоящего оборудования и реактивов. Экспресс-метод может быть использован специалистами химических лабораторий промышленных и сельскохозяйственных предприятий, научных и медицинских учреждений.

About the authors

V. V. Bydanova

All-Russian Research Institute of Radiology and Agroecology

Email: n.grudina2014@yandex.ru

Russian Federation, Kaluzhskaya oblast, Obninsk

candidate of chemical sciences

N. V. Grudina

All-Russian Research Institute of Radiology and Agroecology

Author for correspondence.
Email: n.grudina2014@yandex.ru

Russian Federation, Kaluzhskaya oblast, Obninsk

Doctor of Biological Sciences

References

  1. Николаев А.Ф., Охрименко Г.И. Водорастворимые полимеры. – Л.: Химия, 1979. – 144 с.
  2. Кабанов В.А., Петров Р.В., Хаитов Р.М. Искусственные антигены и вакцины на основе неприродных электролитов // В кн.: Итоги науки и техники: Иммунология. – М.: ВИНИТИ, 1984. – Т.13. – С.6-53.
  3. Драгинский В.Л., Алексеева Л.П. Повышение эффективности реагентной обработки воды на водопроводных станциях // Водоснабжение и санитарная техника. – 2000. – №5. – С.11-14.
  4. Быданова В.В. Изучение диффузионных и комплексообразующих свойств высокомолекулярных водорастворимых полимеров как возможной основы кормовых добавок нового типа // Проблемы биологии продуктивных животных. − 2013. − № 4. − С.105-113.
  5. Бектуров Е.А., Бимендина Л.А. Интерполимерные комплексы. – Алма-Ата: Наука, 1977. – 264 с.
  6. Грудина Н.В., Быданова В.В. Оценка сорбционных и диффузионных свойств высокомолекулярных водорастворимых полимеров, используемых в составе новой кормовой добавки // Проблемы биологии продуктивных животных. – 2011. – №1. – С.111-116.
  7. Грудина Н.В., Грудин Н.С., Быданова В.В. Новый тип кормовых добавок на основе полимеров // Доклады РАСХН. – 2015. – №6. – С.47-49.
  8. Вейцер Ю.И., Минц Д.М. Высокомолекулярные флокулянты в процессах очистки природных и сточных вод. – М.: Стройиздат, 1984. – 200 с.
  9. Petzold G., Geissler U., Smolka N., Schwarz S. Influence of humic acid on the flocculation of clay // Colloid Polym. Sci. – 2004. – V.282. – Р.670-676.
  10. Unno Hajime. Кагаку когё // Chem.Ind. – 1984. – V.35. – No.2. – Р.171-179.
  11. Myagchenkov V.A., Kurenkov V.F. Polym.-Plast. // Technol. Eng. – 1991. – V.30. – No.2-3. – P.109-135.
  12. Габриелова Л.И. Синтетические высокомолекулярные флокулянты как осветлители суспензий и ускорители фильтрации. М.: ЦИИНЦветмет, 1962. –39 с.
  13. Vostrcil J., Juracka F. Commercial organic flocculants. Park (N.Y.). Noyes data corp. 1976. –V.7. – 173 p.
  14. Куренков В.Ф., Cнигирев С.В. Флокулирующие свойства полимеров. – Казань: Казанский государственный технологический университет, 2000. – 32 с.
  15. Герасимов Г.Н. Процессы коагуляции-флокуляции при обработке поверхностных вод // Водоснабжение и санитарная техника. – 2001. – №3. – С.24-30.
  16. Проскуряков В.А., Шмидт Л.И. Очистка сточных вод в химической промышленности. – Л.: Химия, 1977. – 464 с.
  17. Яковлев С.В., Карелин Л.А. Очистка производственных сточных вод. – М.: Стройиздат, 1985. – 335 с.

Statistics

Views

Abstract - 109

PDF (Russian) - 43

Cited-By


PlumX

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2019 Russian academy of sciences

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies