В Томском политехническом университете синтезировали эффективный нанокомпозит для очистки воды от токсичных загрязнителей

Ученые Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политехнического университета (ТПУ) в составе научной группы синтезировали нанокомпозит для очистки воды от токсичных загрязнителей, в том числе мышьяка. Результаты динамических испытаний показали, что нанокомпозит обладает высокой адсорбирующей способностью и эффективно справляется с задачей удаления мышьяка из проточной воды.

Исследования поддержаны грантом РНФ (проект № 22-13-20043) и администрацией Томской области. Результаты работы ученых опубликованы в журнале Nano-Structures & Nano-Objects (Q1, IF: 9,2).

По сообщению пресс-службы ТПУ, ранее ученые университета синтезировали композит из наночастиц магнетита (оксида железа Fe3O4) и восстановленного оксида графена. Особенность магнетита заключается в его высоких адсорбционных и магнитных свойствах, которые позволяют ему эффективно обеззараживать воду от ионов тяжелых металлов. Это также делает синтезированный нанокомпозит перспективным для фильтрации жидкостей.

«Следующим этапом исследований стали испытания нанокомпозита при сорбции токсичных веществ в динамическом режиме, то есть в более близким к реальным условиям эксплуатации – на проточной воде. Сегодня очистка питьевой воды имеет критическое значение. А учитывая универсальность и высокую эффективность нашего материала, в будущем он может использоваться как в бытовых, так и в переносных мобильных очистных системах, чтобы даже в самых отдаленных регионах был доступ к качественной воде», — рассказал один из авторов исследования, инженер Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Юлия Мухортова.

Ученые провели серию экспериментов на возможность нанокомпозита сорбировать мышьяк в водном растворе разной концентрации, чтобы выяснить влияет ли уровень загрязнения на эффективность его удаления. В предварительных статических испытаниях скорость адсорбции ионов мышьяка при концентрации 5 миллиграмм на литр (предельно допустимая концентрация мышьяка в воде по СанПиН составляет 0,05 мл\л) составила 81% в течение одной минуты, что значительно превосходит значения, представленные в литературных источниках.

Для динамических испытаний разработанный нанокомпозит смешали с песком в массовом соотношении 1:25 и зафиксировали слоем в колонке, через которую пропускали загрязненную воду. Результаты экспериментов показали, что при концентрации мышьяка 0,1 миллиграмма на литр сорбционная емкость материала составила 8,40 миллиграмма на грамм, а при концентрации 10 миллиграмм на литр — 8,96 миллиграмма на грамм, что превосходит литературные данные среди железосодержащих сорбентов мышьяка.

Кроме того, ученые провели комплексные структурно-морфологические и фазово-химические исследования нового нанокомпозита с помощью методов растровой, сканирующей электронной микроскопии и рентгеновской фотоэлектронной и спектроскопии комбинационного рассеяния света, а также метода рентгеновской дифракции. Эти методы позволили не только охарактеризовать новый материал, а также понять, каким образом взаимодействие между элементами композита способствует захвату мышьяка.

Нанокомпозит продемонстрировал значительные результаты как в статических, так и в динамических испытаниях на модельных растворах мышьяка, содержащих загрязняющий компонент в десятки и сотни раз превышающих предельно допустимые концентрации. Полученные данные свидетельствуют о высоком темпе сорбции и высокой сорбционной емкости нанокомпозита и делают его не только эффективным, но и технологически удобным для применения в условиях, где быстрое удаление загрязняющих веществ имеет критическое значение.

«Важно, что после сорбции свойства нанокомпозита оставались практически без изменений, что свидетельствует о его стабильности и потенциальной долговечности в реальных условиях эксплуатации», - отмечает добавляет профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Роман Сурменев.

Разработанные нанокомпозиты могут быть использованы для наполнения фильтровальных модулей в системах водоснабжения, промышленных и бытовых системах очистки воды и сточных вод, а также для систем магнитной сепарации.

В исследовании приняли участие ученые Научно-исследовательского центра «Физическое материаловедение и композитные материалы» Томского политехнического университета и Томского госуниверситета.

Фото: news.tpu.ru