High-energy radiation initiated reactions in monomer solutions
Keywords in Hungarian
sugárkémia, polimerizáció, ojtás
Keywords in English
radiation chemistry, polymerization, grafting
Discipline
Macromolecular Chemistry and Material Sciences (organic chemistry) (Council of Physical Sciences)
80 %
Radiology (Council of Physical Sciences)
20 %
Panel
Chemistry 2
Department or equivalent
Institute of Isotopes, Hungarian Academy of Sciences
Participants
Borsa, Judit Földváry, Csilla Magdolna Hargittai, Péter Kovács, András Rácz, Ilona Sáfrány, Ágnes Wojnárovits, László
Starting date
2006-02-01
Closing date
2011-01-31
Funding (in million HUF)
15.300
FTE (full time equivalent)
4.65
state
closed project
Summary in Hungarian
A pályázatban a témavezető jelenleg még támogatott (Nagyenergiájú sugárzással iniciált polimerizáció kinetikai együtthatóinak meghatározása című, 2002-2005, T 037363) pályázata keretében folyó kutatások során szerzett ismereteket szeretnénk hasznosítani. A polimerizáció kinetikai kutatások folytatásához, illetve ojtás kinetikai vizsgálatokhoz kérjük a támogatást. A polimerizáció kinetikai vizsgálatok során meghatározzuk a sebességi együtthatókat eddig nem vizsgált monomerekkel, valamint új (az eddig tanulmányozottakétól eltérő reaktivitású) iniciáló gyökökkel (pl. i-propanol). A monomerek kiválasztásánál fő szempontunk, hogy az ojtásnál felhasználni kívánt és eddig még nem tanulmányozott monomereket választunk. Tervezzük ezért mindenekelőtt a sztirol, a metil-metakrilát, az N,N’-metilén-bisz-akrilamid, a hexil-metakrilát, és az észter csoportban hosszabb szénláncot tartalmazó metakrilátok polimerizáció kinetikájának vizsgálatát impulzusradiolízis és gammaradiolízis módszerrel. A további monomerek kiválasztása az ojtási kísérletek eredményének függvénye. A cellulóz sugárzásos ojtásával foglalkozó közlemények többsége a gyakorlati felhasználás szempontjából tanulmányozza a területet, kevés hangsúlyt fektetve az ojtás kinetikájának tanulmányozására. Mi a sugárzásos ojtás átfogó vizsgálatát tervezzük, beleértve az ojtandó monomer polimerizáció kinetikájának tanulmányozását, az ojtás kinetikájának követését és az ojtott cellulóz, cellulóz származék tulajdonságainak vizsgálatát.
Summary
The aim of this project is to utilize the knowledge obtained in the project T 037363, Determination of the kinetic parameters of high-energy radiation initiated polymerization (2002-2005) in polymerization kinetics and radiation modification of cellulose. We apply for subsidy both to continue the work on these fields and to broaden the research field. We will continue the research on polymerization kinetics to obtain the rate parameters of initiation and termination for new monomers and for new initiating radicals (e.g. i-propanol) of reactivity different from those studied before. First we will choose monomers for the radiation grafting research and we will study the polymerization kinetics of these monomers. By applying pulse radiolysis and gamma radiolysis we plan to study the polymerization kinetics of the following monomers: styrene, methyl methacrylate, N,N’-methylene bis-acrylamide, hexyl methacrylate, and methacrylate type monomers with ester groups of longer chain. The choice of further monomers depends on the results of the work on the field of radiation grafting. The majority of the publication on radiation grafting of cellulose present results on the field of practical applications. We intend to obtain an overall picture of radiation grafting applying different methods including the study of polymerization kinetics, grafting kinetics, and the investigation of the properties of grafted cellulose samples with a wide variety of methods and instruments.
Final report
Results in Hungarian
Tanulmányoztuk a nagyenergiájú sugárzással iniciált polimerizációt, a sugárzással iniciált ojtást és toxikus, szerves vegyületek sugárzásos degradációját vizes oldatban gammaradiolízissel és impulzusradiolízis technikával, kinetikus fotometriás detektálással. Az ionizáló sugárzás hatására a víz radiolízisekor keletkező köztitermékek, a hidratált elektron, a hidroxilgyök és a hidrogénatom reagál a vízben oldott szerves molekulákkal.
Megfelelő adalékkal a víz radiolízis köztitermékek átalakíthatók más, kevésbé reakcióképes gyökké. Nukleofil és elektrofil gyökök reakcióját megvizsgáltuk számos monomerrel (akrilátok, metakrilátok, akrilamid származékok, stb.). Meghatároztuk az iniciálás kinetikai együtthatóit és javaslatot tettünk a mechanizmusra.
A sugárzással iniciált ojtással szelektív adszorbenseket állítottunk elő és a vízből toxikus szennyeződéseket távolítottunk el. Glicidil-metakrilát monomer sugárzással egy időben történő ojtásával jó adszorpciós kapacitású mintát sikerült előállítani, az adszorpciós tulajdonságok a ciklodextrinnel funkcionalizált mintákon tovább javultak.
Vizsgáltuk a Szulfanilsav Azokromotrop azo-színezék, a H-sav, valamint annak két származéka sugárzásos degradációját. Javaslatot tettünk a degradáció mechanizmusára. A degradáció viszonylag kis dózissal bekövetkezik mindegyik vegyületnél, hatásfoka a színezékeknél jobb volt, mint az egyszerűbb molekuláknál.
Results in English
High-energy radiation initiated polymerization, grafting and radiation degradation of toxic organic molecules were studied in aqueous solutions both by gamma radiolysis and by pulse radiolysis with kinetic spectroscopic detection. During irradiation the reactions of the water radiolysis intermediates (hydrated electron, hydroxyl radical and hydrogen atom) with organic solutes were observed.
By applying proper additives these water radiolysis intermediates are converted to less reactive (nucleophil and electrophil) intermediates. The reactions of these intermediates with a number of monomers (acrylates, methacrylates, acrylamides, etc.) were investigated. The kinetic parameters of initiation were determined and initiation mechanisms were suggested.
By radiation initiated grafting selective adsorbents were prepared and were used to remove toxic solutes from water. Adsorbents of proper adsorption capacity were prepared by mutual grafting of glycidyl methacrylate to cellulose and the adsorption capacity of the samples was further improved by functionalization with cyclodextrin.
Radiation induced degradation of azo dye Sulfanilic Acid Azochromotrop, H-acid and its two derivatives were investigated. Mechanism of degradation was suggested. For all of the compounds investigated a relatively low dose was enough for degradation, however, the effectiveness of degradation was better for the dye molecules than for the smaller molecules.
Wojnárovits L; Takács E; Emmi SS: Reaction of 2-hydroxy-2-propyl radical with acrylate type molecules in aqueous solution: radical addition or electron transfer, Chemical Physics 327: 335-343, 2006
Sampa M.; Takacs E; Gehringer P; Rela PR; Ramirez T; Amro H; Bojanowska-Czajka A; Botelho ML; Han B; Solpan D; Cooper W; Emmi SS; Wojnarovits L: Remediation of polluted waters and wastewater by radiation processing, Nukleonika 52: 137-144, 2007
Emmi SS; Caminati S; Poggi G; Takács E: Advanced Oxidation Processes for water remediation by the E-beam method. Industrial installations and basic studies, Ecomondo Key Energy, 2007, Maggioli Editore, 2007, p. 225-229., 2007
Wojnárovits L; Takács E: Development of a rate expression for predicting decolorization of C.I. Acid Black 1 in a UV/H2O2 process, Dyes and Pigments 75: 505-506, 2007
Wojnárovits L; Pálfi T; Takács E: Kinetics and mechanism of azo dye destruction in Advanced Oxidation Processes, Radiat Phys Chem 76: 1497-1501, 2007
Takács E; Wojnárovits L; Pálfi T: Azo dye degradation by high-energy irradiation: kinetics and mechanism of destruction, Nukleonika 52: 69-75, 2007
Takács E; Mirzadeh H; Wojnárovits L; Borsa J; Mirzataheri M; Benke N: Comparison of simultaneous and preirradiation grafting of N-vinylpyrrolidone to cotton-cellulose fibres, Nucl Instr Meth Phys Res B 265: 217-220, 2007
Pálfi T; Takács E; Wojnárovits L: Degradation of H-acid by high-energy irradiation, Water Research 41: 2533-2540, 2007
Wojnárovits L; Takács E; Emmi, SS: Reaction of 2-hydroxy-2propyl radical with maleic and fumaric acids in aqueous solution: pH dependence, Chem Phys Letters 438: 224-228, 2007
Emmi SS; De Paoli G; Takács E; Caminati S; Pálfi T: The e-beam induced decomposition of pesticides in water. A gamma and pulse radiolysis investigation on carbofuran. TECDOC of the Research Coordination Meeting (RCM) on “Remediation of Polluted Waters and Wastewater by Radiation Processing”, Vienna, Austria, 4-9 September 2006, Edited by the International Atomic Energy Agency. 77-88, 2008
Takács E; Wojnárovits L; Pálfi T; Emmi SS: Irradiation treatment of textile dye containing wastewater. TECDOC of the Research Coordination Meeting (RCM) on “Remediation of Polluted Waters and Wastewater by Radiation Processing”, Vienna, Austria, 4-9 September 2006., Edited by the International Atomic Energy Agency. 59-76, 2008
Emmi SS; Takács E: Water Remediation by electron-beam treatment, In Radiation Chemistry, From Basics to Applications in Material and Life SciencesEds., Spotheim-Maurizot, et al.,EDP France, ISBN 978-2-7598-0024-7, 2008
Wojnárovits L; Takács E: Irradiation treatment of azo-dye containing wastewater: an overview, Radiat Phys Chem 77: 225-244, 2008
Wojnárovits L; Takács E; Emmi SS: Nucleophilic and electrophilic radical attack on maleic and fumaric acids in aqueous solution, Chem Phys Letters 460: 451-456, 2008
Földváry CsM; Wojnárovits L: Role of reactive intermediates in the radiolytic degradation of Acid Red 1, Radiation Physics and Chemistry 78: 13-18, 2009
Melo R; Leal JP; Takács E; Wojnárovits L: Radiolytic degradation of gallic acid and its derivatives in aqueous solution, Journal of Hazardous Materials 172: 1185-1192, 2009
Pálfi T; Földváry Cs; Takács E; Wojnárovits L: Sugárkémiai szennyvízkezelés gyakorlata és lehetőségei, Magyar Kémiai Folyóirat 115: 114-117, 2009
Wojnárovits L; Takács, E: Irradiation Treatment of Azo Dyes in Aqueous Solution. In Dyes and Pigments: New Research., Ed. Lang, A. R., Nova Science Publishers, Inc. Hauppauge NY, ISBN: 978-1-60876-195-1, 225-257, 2009
Takács E; Wojnárovits L; Borsa J; Rácz I: Hydrophilic/hydrophobic character of grafted cellulose, Radiat Phys Chem 79: 467–470, 2010
Wojnárovits L; Földváry Cs.; Takács E: Radiation-induced grafting of cellulose for adsorption of hazardous water pollutants. A review, Radiat Phys Chem 79: 848-862, 2010
Pálfi T; Wojnárovits L; Takács E:: Calculated and measured transient product yields in pulse radiolysis of aqueous solutions: concentration dependence, Radiat Phys Chem 79: 1154-1158, 2010
Wojnárovits L; Takács E; Pálfi T: Kinetics of water pollutant Molecule decomposition in Advanced Oxidation Processes., Proceedings of the 3rd Asia Pacific Symposium on Radiation Chemistry (APSRC-2010), Invited talks. 75-78., 2010
Pálfi T; Wojnárovits L; Takács E:: Mechanism of azo dye degradation in Advanced Oxidation Processes: Radiolytic degradation of Sulfanilic Acid Azochromotrop and its parent compounds in aqueous solution, Radiat Phys Chem 80: 462-470, 2011
Takács E; Wojnárovits L: Grafted cellulose based adsorbents for selective separation purposes.TECDOC of the Research Coordination Meeting (RCM) on “Development of novel absorbents and membranes by radiation-induced grafting for selective separation purposes” Budapest, Hungary 6-10 December 2010., Edited by the International Atomic Energy Agency. accepted, 2011
Desmet G; Takács E; Wojnárovits L; Fekete T; Borsa J: Preparation of cellulose based adsorbent via high-energy irradiation initiated grafting of glycidyl methacrylate and cyclodextrin immobilization, Bioresource Technology, 2011
