Quaternization of poly(1-vinylimidazole) hydrogel and its use in anion adsorption

Abstract

Poli(1-vinilimidazol) hidrojelleri 1-vinilimidazolün sulu çözeltide baslatıcı olarakazobisizobütironitril ve çapraz baglayıcı olarak N'N-metilenbisakrilamit kullanılarakserbest radikal polimerizasyonu yöntemiyle sentezlenmistir. Dört farklı çaprazbaglayıcı/monomer mol kesrine sahip (nMBAAM/nmonomer) (0.011, 0.021, 0.046, 0.068)poly(1-vinilimidazol) hidrojelleri sentezlenmistir. Bu hidrojellerin sisme egrileriolusturulmustur. Kuaternizasyon ve adsorpsiyon çalısmalarında kullanılmak üzere(nMBAAM/nmonomer), mol kesri 0.011 olan hidrojel seçilmistir. Bu kesre sahip monomerkarısımının % dönüsümü egrisi olusturulmustur. Polimerizasyon ve çapraz baglama200 dakikada tamamlanmıs ve % dönüsümü %97 olarak hesaplanmıstır.Poli(1-vinilimidazol)'ün kısmen kuaternize edilmesi için dimetilsulfat metilleme reaktifiolarak kullanılmıstır. Kuaternizasyon reaksiyonu sonucunda çapraz baglı poli(1-vinilimidazol)'ün kuaternizasyon derecesi hesaplanmıs ve bu deger %43 olaraksaptanmıstır.Poli(1-vinilimidazol) ve kuaternize poli(1-vinilimidazol)'ün kimyasal yapılarınıkarakterize etmek için spektroskopik ve termal analizler yapılmıstır. Yapısaldegisiklikleri incelemek için FTIR spektrofotometresi kullanılmıstır. Poli(1-vinilimidazol) ve kuaternize poli(1-vinilimidazol) hidrojellerinin kimyasal kararlılıgınıtespit etmek için termogravimetrik analizler yapılmıs, bu islemler azot ortamında 20oC/dak. ısıtma hızıyla gerçeklestirilmistir. Diferansiyel taramalı kalorimetrekullanılarak bu hidrojellerin camsı geçis sıcaklıkları da tespit edilmistir.Bu hidrojellerin yapılarını daha iyi açıklayabilmek için çözünebilen poli(1-vinilimidazol)ve kuaternize poli(1-vinilimidazol) sentezlenmistir. Ve bu çözünebilen polimerlerkullanılarak NMR analizi yapılmıstır. Polimerleri çözmek için döteryum oksitkullanılmıstır.Bu çalısmada, kuaternize poli(1-vinilimidazol) hidrojelleri sulu ortamlardan anyonlarıuzaklastırmada kullanılmak için sentezlenmistir. UV-görünür bölge spektrofotometresive iyon kromatografisi kullanılarak florür, bromür, nitrit, nitrat, fosfat ve sulfatanyonlarının m-eq anyon/g polimer cinsinden adsorpsiyon miktarları ve yüzdeadsorpsiyon degerleri tayin edilmistir. Kuaternize poli(1-vinilimidazol) hidrojeline enfazla adsoplanan anyonun fosfat en az adsorplanan anyonun da florür oldugugözlenmistir. İyon kromatografi yöntemine göre anyon/polimer (tekrarlanan birim) moloranı 1:1 olan çalısmada, 24.7% florür, 60.6% nitrit, 61.6% bromür, 63.0% nitrat,99.3% fosfat ve 98.2% sulfat ortamdan uzaklastırılmıstır.Anahtar Sözcükler: Poli(1-vinilimidazol), anyon adsorpsiyonu, hidrojel, iyondegistirici.

Poly(1-vinylimidazole) hydrogels were synthesized through free radicalpolymerization of 1-vinylimidazole (VIm) in aqueous solutions withazobisisobutyronitrile used as the initiator and N,N?-methylenebisacrylamide(MBAAM) as the crosslinking agent, PVIm hydrogels with four different mol ratios ofMBAAM to VIm (nMBAAM/nmonomer) (0.011, 0.021, 0.046, 0.068), were synthesized.Swelling% curves of hydrogels have been formed and hydrogel to be used in thequaternization and adsorption studies has been selected as hydrogel withnMBAAM/nmon mol ratio 0.011. The polymerization and crosslinking of this monomermixture were completed in 200 min with a conversion% of 97%.To partially quaternize poly(1-vinylimidazole), dimethylsulphate was used as themethylating agent. The degree of quaternization of crosslinked poly(1-vinylimidazole)was obtained as 43% (w/w).Spectroscopic and thermal analyses were performed to investigate the structure ofpoly(1-vinylimidazole) and quaternized poly(1-vinylimidazole) in soluble andcrosslinked forms. FTIR spectrometry was used to follow chemical changes.Thermogravimetric analyses of both hydrogels for investigation of thermal stability,were carried out by using thermogravimetry (TGA). The glass transition temperaturesof the samples (Tg) were determined with differential scanning calorimetry (DSC).To characterize the structures of poly(1-vinylimidazole) and quaternized poly(1-vinylimidazole) by using NMR, soluble poly(1-vinylimidazole) and quaternized poly(1-vinylimidazole) have been synthesized and analysed by using deuterium oxide.In this study, to remove various anions from aqueous media, quaternized poly(1-vinylimidazole) hydrogels were used. The amount of anion adsorption (in m-eq.anion/g polymer) and adsorption% were determined for fluoride, bromide, nitrite,nitrate, phosphate and sulphate anions by using UV-visible spectrophotometry andion chromatography techniques. The amount of phosphate adsorbed on quaternizedpoly(1-vinylimidazole) hydrogel was the highest and the amount of fluoride adsorbedon quaternized poly(1-vinylimidazole) hydrogel was the lowest. Ion chromatographicstudy showed that when 1:1 mol ratio of anion to polymer ( on a repeating unit basis)was used, 24.7% of fluoride, 60.6% of nitrite, 61.6% of bromide, 63.0% of nitrate,99.3% of phosphate and 98.2% of sulphate were removed from the medium.Keywords: Poly(1-vinylimidazole), anion adsorption, hydrogels, ion-exchange.