Особенности сорбции диоксида серы из воздуха слабоосновными анионитами

С помощью неэмпирических квантово-химических расчетов (в рамках теории функционала плотности с использованием уровня DFT/B3LYP/6-31G(3d,p)) рассчитаны геометрические характеристики сорбционных комплексов диоксида серы с первичными, вторичными и третичными аминогруппами анионитов, которые синтезированы аминированием нитрильных групп полиакрилонитрильного волокна этилендиамином или диметиламинопропиламином, визуализированы их структуры. Установлены основные закономерности сорбции SO₂ из воздуха и особенности протекающих взаимодействий в фазе полимеров: 1) SO₂ с первичными и вторичными аминогруппами анионита в основном взаимодействует с молекулами воды и практически не образует связей непосредственно с азотом функциональной группы; введение молекулы кислорода не изменяет состояние системы; 2) в фазе анионита с третичными аминогруппами SO₂, взаимодействуя с молекулами воды, самопроизвольно трансформируется в гидросульфит-ион с передачей протона на третичный азот; при наличии в системе молекулы кислорода происходит безбарьерное образование аниона пероксокислоты (SO₃OO²-) с возможным дальнейшим окислением гидросульфита в гидросульфат.

1. Soldatov, V. S. Application of fibrous ion exchangers in air purification from acidic impurities / V. S. Soldatov, I. S. Elinson, A. A. Shunkevich // Hydrometallurgy’94. - Dordrecht: Springer, 1994. - P. 837-855. https://doi.org/10.1007/978-94-011-1214-7_57

2. Air pollution control with fibrous ion exchangers / V. S. Soldatov [et al.] // Chemistry for the protection of the environment, L. Pawlowski [et al.] (Eds.). - New York, London: Plenum Press, 1996. - Vol. 2. - P. 55-66. https://doi.org/10.1007/978-1-4613-0405-0_7

3. Чикин, Г. А. Иониты в газосорбционных технологиях / Г А. Чикин, О. Н. Мягкой // Ионообменные методы очистки веществ; под ред. Г. А. Чикин, О. Н. Мягкой. - Воронеж: ВГУ, 1984. - С. 326-367.

4. Soldatov, V. S. Ion exchangers for air purification / V. S. Soldatov, E. G. Kosandrovich // Ion exchange and solvent extraction, A series of advances. - USA: CRC Press Taylor and Francis Group, 2011. - Vol. 20. - P. 45-117. https://doi.org/10.1201/b10813-3

5. Косандрович, Е. Г. Волокнистый аминокарбоксильный сорбент для очистки воздуха от примесей диоксида серы / Е. Г. Косандрович, О. Н. Дорошкевич // Вес. Нац. акад. навук Беларусi. Сер. хiм. навук. - 2014. - № 1. - С. 91-95.

6. Каталитический способ получения и сорбционные свойства волокнистого анионита с третичными аминогруппами / Е. Г. Косандрович [и др.] // Вес. Нац. акад. навук Беларусi. Сер. хiм.. навук. - 2017. - № 1. - С. 82-88.

7. Косандрович, Е. Г. Сорбция паров уксусной кислоты из воздуха волокнистыми анионитами с третичными и четвертичными аминогруппами / Е. Г Косандрович, Л. Н. Шаченкова, В. С. Солдатов // Докл. Нац. акад. наук Беларуси. - 2019. - Т. 63, № 5. - С. 548-553. https://doi.org/10.29235/1561-8323-2019-63-5-548-553

8. Косандрович, Е. Г Сорбция аммиака из воздуха волокнистым сульфокатионитом ФИБАН К-1 / Е. Г Косандрович, В.С. Солдатов // Вес. Нац. акад. навук Беларусi. Сер. хiм.. - 2004. - № 3. - С. 95-98.

9. Granovsky Alex A. Firefly version 8 [Electronic Resource]. - Mode of access: www http://classic.chem.msu.su/gran/firefly/index.html. - Date of access: 05.04.2020.

10. General atomic and molecular electronic structure system / M. W. Schmidt [et al.] // Journal of Computational Chemistry. - 1993. - Vol. 14, Is. 11. - P. 1347-1363. https://doi.org/10.1002/jcc.540141112

11. Becke, A. D. Density-functional thermochemistry. III. The role of exact exchange / A. D. Becke // Journal of Chemical Physics. - 1993. - Vol. 98, Is. 7. - P. 5648-5652. https://doi.org/10.1063/I464913

12. Chengteh, Lee. Development of the Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density / Lee Chengteh, Yang Weitao, R. G. Parr // Physical Review B. - 1988. - Vol. 37, Is. 2. - P. 785-789. https://doi.org/10.1103/physrevb.37.785

13. Makrlik, E. A combined experimental and DFT study on the complexation of Mg2+ with beauvericin E / E. Makrlik, P. Toman, P. Vanura // Structural Chemistry. - 2012. - Vol. 23, Is. 3. - P. 765-769. https://doi.org/10.1007/s11224-011-9923-8

14. Novel guanidinium zwitterion and derived ionic liquids: physicochemical properties and DFT theoretical studies / Jiamei Liu Fang [et al.] // Structural Chemistry. - 2011. - Vol. 22, Is. 5. - P. 1119-1130. https://doi.org/10.1007/s11224-011-9807-y

15. Efficient diffuse function-augmented basis sets for anion calculations. III. The 3-21+G basis set for first-row elements, Li-F / T. Clark [et al.] // Journal of Computational Chemistry. - 1983. - Vol. 4, Is. 3. - P. 294-301. https://doi.org/10.1002/jcc.540040303

16. Hehre, W. J. Self-Consistent Molecular Orbital Methods. XII. Further Extensions of Gaussian-Type Basis Sets for Use in Molecular Orbital Studies of Organic Molecules / W. J. Hehre, R. Ditchfield, J. A. Pople // Journal of Chemical Physics. -1972. - Vol. 56, Is. 5. - P. 2257-2261. https://doi.org/10.1063/I1677527

17. Hariharan, P. C. The influence of polarization functions on molecular orbital hydrogenation energies / P. C. Hariha-ran, J. A. Pople // Theoretica chimica acta. - 1973. - Vol. 28, Is. 3. - P. 213-222. https://doi.org/10.1007/bf00533485

18. Сиггиа, С. Количественный органический анализ по функциональным группам / С. Сиггиа, Дж. Г Ханна. -М.: Химия, 1983. - 405 с.

19. Ab initio investigations on the HOSO2+O2 → SO3+HO2 reaction / D. Majumdar [et al.] // J. of Chem. Physics. - 2000. -Vol. 112, N 2. - P. 723-730. https://doi.org/10.1063/1.480605

20. Квантово-химическое исследование некаталитического процесса окисления диоксида серы / А. И. Туктарова [и др.] // Вестн. технол. ун-та. - 2018. - Т. 21, № 9. - С. 32-37.

21. Хома, Р. Е. Моделирование равновесных процессов в системах “SO2-R2NCH2CH2NR2-H2O” / Р. Е. Хома // Сб. науч. ст. III междунар. науч-практ. конф. «Комп’ютерне моделювання в хiмii, технологiях i системах сталого розвитку КМХТ-2012», Киiв, Рубiжне, 10-12 травня, 2012. - Рубiжне: НТУУ «КПI», 2012. - С. 27-30.