В условиях растущего промышленного загрязнения водных ресурсов ученые сделали важный шаг в решении проблемы очистки сточных вод от фенола – токсичного вещества, представляющего угрозу для человека и природы. Исследователи из Дальневосточного федерального университета и Института химии ДВО РАН представили инновационное решение, превращающее отходы в ценный ресурс. Они доказали, что зола, полученная из рисовой шелухи, может эффективно поглощать фенол из воды.
Фенол является одним из самых распространенных и опасных загрязнителей, попадающих в водоемы со стоками нефтехимических, целлюлозно-бумажных и других предприятий. Его присутствие в воде даже в малых дозах крайне нежелательно из-за высокой токсичности. Существующие методы очистки часто требуют больших затрат или использования дорогих материалов.
Российские ученые сосредоточили свое внимание на поиске недорогого и доступного сорбента. Их выбор пал на рисовую шелуху и солому – массовые отходы сельского хозяйства, которые обычно утилизируются. В ходе исследований выяснился удивительный факт: не все материалы, полученные из этого сырья, одинаково полезны. Оказалось, что только зола, произведенная в промышленных условиях путем пиролиза (сжигания без доступа кислорода), способна улавливать фенол, демонстрируя эффективность на уровне 39%. А вот образцы, созданные в лаборатории путем обычного обжига, с этой задачей не справились.
Секрет успеха кроется в сложном строении промышленной золы. Исследования под микроскопом показали, что материал сохраняет пористую, слоистую структуру исходной растительной ткани, что значительно увеличивает площадь его поверхности. Но главной «изюминкой» стало обнаружение на поверхности золы ароматических углеродных структур – своеобразных «бензольных колец». Именно между этими кольцами на сорбенте и молекулами фенола возникают мощные силы притяжения, так называемые π-π-взаимодействия. Представьте это как два магнита, которые прочно соединяются друг с другом.
Ученые детально изучили сам процесс «прилипания» фенола к золе. Они установили, что он происходит самопроизвольно и сопровождается выделением тепла. Оказалось, что скорость очистки зависит от двух факторов: как быстро молекулы фенола «доплывают» к частицам сорбента и как прочно они затем «цепляются» за их поверхность.
Важным открытием стала зависимость эффективности очистки от кислотности воды. Лучше всего фенол удаляется из кислых сред, где он находится в своей молекулярной форме. Стоит воде стать щелочной, как фенол превращается в ион, и эффективность очистки резко падает, так как ионы отталкиваются от поверхности сорбента.
Дополнительные эксперименты подтвердили, что связь между фенолом и золой очень крепкая. Попытки «отмыть» сорбент и высвободить фенол обратно в чистую воду или слабый щелочной раствор показали очень низкий успех. Это доказывает, что загрязнитель надежно закрепляется в материале, а не возвращается в окружающую среду.
Что делает это исследование особенно перспективным? Прежде всего, его экономическая и экологическая составляющая. Предложенная технология позволяет убить двух зайцев: утилизировать сельскохозяйственные отходы и получить на их основе недорогой сорбент для очистки воды в промышленных масштабах. В отличие от многих лабораторных разработок, требующих сложной многоступенчатой обработки, эти материалы уже производятся в реальных промышленных условиях.
Таким образом, работа ученых открывает путь к созданию доступных и эффективных технологий для обеспечения химической безопасности наших водных ресурсов, превращая проблему отходов в часть решения другой серьезной экологической проблемы.
Исследование опубликовано в журнале «Химическая безопасность»
Создано при поддержке Минобрнауки РФ в рамках Десятилетия науки и технологий (ДНТ), объявленного Указом Президента Российской Федерации от 25 апреля 2022 г. № 231.
