Способность красивого зеленого минерала малахита захватывать опасные металлы из загрязненной воды, словно магнит, оказалась гораздо сложнее, чем считалось раньше. Российские исследователи выяснили, что его эффективность зависит от чего-то очень маленького – размера его собственных частиц. Это открытие может совершить переворот в технологиях очистки промышленных стоков.
Ученые из Удмуртского федерального исследовательского центра УрО РАН детально изучили малахит, тот самый знаменитый камень с узорами, и обнаружили, что его способность растворятся в воде и осаждать ионы меди из отходов напрямую связана с размером его кристаллов. Чем мельче частицы, тем они активнее и «растворимее». Этот факт ставит под сомнение простой подход, когда инженеры выбирают реагенты, лишь заглядывая в справочники.
Проведя серию точных экспериментов, команда выяснила, что для достижения точного результата не нужно ждать неделю, как это часто делают. Равновесие между твердым малахитом и водой устанавливается всего за одни сутки. Более долгое ожидание только вредит: вода начинает поглощать углекислый газ из воздуха, что искажает картину. Еще один важный вывод – привычное центрифугирование пробы, чтобы избавиться от взвеси, на самом деле только мешает. Оно отсеивает крупные частицы, оставляя в растворе самые мелкие и самые «активные», что приводит к завышенным показателям растворимости.
Используя метод электропроводности, ученые измерили, насколько по-разному ведут себя три образца малахита: один, синтезированный из отходов медеплавильного производства, другой – покупной химический реактив, и третий – тот же реактив, но измельченный в порошок. Оказалось, что образцы с более крупными и округлыми частицами (синтезированный и измельченный) демонстрируют предсказуемо низкую растворимость. А вот покупной реактив, состоящий из мельчайших игольчатых кристаллов, показал гораздо более высокую активность.
Этот удивительный феномен находит свое точное отражение в классическом законе Гиббса-Томсона, который раскрывает, что у маленьких частиц поверхность более «напряжена», что делает их более склонными к взаимодействию с раствором. Ученым даже удалось вывести формулу, описывающую эту зависимость, и оценить ключевой параметр – поверхностную энергию на границе между малахитом и водой.
Практический итог этого фундаментального исследования – создание готовой инструкции для промышленности. Чтобы эффективно осаждать медь из сточных вод гальванических производств с помощью малахита, нужно использовать мелкие кристаллы, выдерживать раствор ровно сутки и избегать центрифугирования. Это позволит создавать более эффективные и экономичные технологии очистки, снижая концентрацию опасных металлов до безопасного уровня.
Таким образом, красивый узорчатый малахит оказался не просто украшением, а сложным «интеллектуальным» материалом, чьи свойства можно тонко настраивать, открывая новые горизонты в защите окружающей среды.
Исследование опубликовано в журнале «Химическая физика и мезоскопия»
Создано при поддержке Минобрнауки РФ в рамках Десятилетия науки и технологий (ДНТ), объявленного Указом Президента Российской Федерации от 25 апреля 2022 г. № 231.
