Исследователи НИТУ МИСИС синтезировали мезопористые наночастицы феррита кобальта, которые поглощают различные органические красители в зависимости от размера пор. Разработка открывает новые возможности для очистки промышленных сточных вод без дополнительной химической модификации сорбента. Важная особенность материала — он не теряет эффективности после множества циклов использования.
Органические красители — один из наиболее распространённых классов загрязнителей водных сред. Они поступают в сточные воды текстильных, фармацевтических и химических производств и с трудом поддаются традиционным методам очистки. Существующие магнитные наноадсорбенты требуют химической обработки поверхности наночастиц для эффективного связывания загрязнителей: такие покрытия ограничивают спектр улавливаемых веществ, усложняют эксплуатацию систем очистки и последующую регенерацию сорбента.
Учёные НИТУ МИСИС и РНИМУ им. Н. И. Пирогова доказали, что модификация поверхности наночастиц необязательна. Достаточно правильно выстроить их внутреннюю структуру — именно она определяет, какой краситель и каким способом будет поглощён.
Учёные синтезировали стержневые наночастицы феррита кобальта — крошечные магнитные палочки, пронизанные порами двух типов: мелкими (до 10 нм) и крупными (до 50 нм). Соотношение пор регулировали скоростью нагрева при обжиге матрицы, из которой затем получались наночастицы: чем медленнее, тем больше мелких пор. После очистки воды наночастицы из неё можно моментально извлечь обычным магнитом.
Чтобы понять, как поры влияют на поглощение, исследователи добавили наночастицы в растворы с тремя красителями: метиленовым синим, метиловым оранжевым и эриохромом синим.
Алексей Никитин
«Эти три красителя выбраны не случайно — все они широко используются в промышленности и регулярно попадают в сточные воды. Метиленовый синий применяется в медицине, а также для окраски хлопка, шерсти и шёлка. Как продукт анилинового производства, он может в больших концентрациях загрязнять водные ресурсы в регионах химической промышленности. Метиловый оранжевый используют в химической и текстильной промышленности. Это токсичное вещество, которое опасно при вдыхании, проглатывании и впитывании в кожу. Эриохром синий применяют в текстильной промышленности для окрашивания тканей. Всех их объединяет то, что они крайне медленно разлагаются в природной среде и плохо поддаются стандартным методам очистки. Именно поэтому, попав в воду, они там остаются на долгое время. Однако наша разработка справились с каждым из них», — сказал к.х.н. Алексей Никитин, доцент кафедры физического материаловедения НИТУ МИСИС.
Неожиданный результат продемонстрировал эриохром синий: при контакте с наночастицами он слипался в крупные комки размером в несколько сотен нанометров. При низкой концентрации краситель хорошо поглощался, но при высокой агрегаты уходили обратно в раствор. Такое поведение для этого класса красителей зафиксировано впервые. Подробные результаты — в научном журнале Journal of Colloid and Interface Science (Q1).
«Разработка меняет сложившееся представление о том, что главное в сорбенте — это химия поверхности. Архитектура пор играет не менее важную роль. В будущем предприятия смогут использовать сорбенты, настроенные на конкретные загрязнители, что проще, дешевле и надёжнее в реальных условиях производства. Кроме того, красители имеют разное строение молекул и, попадая в воду, приобретают разный заряд, благодаря чему они — удобная платформа для изучения процессов адсорбции», — сказал д.х.н. Максим Абакумов, заведующий лабораторией «Биомедицинские наноматериалы» НИТУ МИСИС.
Исследование выполнено в рамках стратегического технологического проекта НИТУ МИСИС «Биомедицинская инженерия и биоматериалы» по программе Минобрнауки России «Приоритет-2030».
Источник: Минобрнауки России
