Красноярские ученые вместе с коллегами из Тайваня синтезировали наночастицы магнетита с серебром, способные эффективно поглощать органические красители из воды. После поглощения загрязняющих веществ наночастицы легко извлекаются из воды с помощью магнитного поля. После чего их можно обработать для повторного использования. Результаты исследования опубликованы в журнале Applied Surface Science.
Пробирки с органическими красителями и очищенной водой после добавления наночастиц. Фото Анастасии Тамаровской / ФИЦ КНЦ СО РАН
Органические красители являются неотъемлемой частью жизни, они используются в различных отраслях промышленности и придают изделиям яркий и насыщенный цвет. Попадая в сточные воды, они оказывают негативное влияние на окружающую среду и водные экосистемы. Сброс неочищенных сточных вод в природные водоёмы приводит к нарушению естественных процессов самоочищения воды и ухудшению санитарного состояния водоёмов. Большинство органических красителей, обладая прекрасной растворимостью в воде, не поддаются традиционным методам очистки и биологическому разложению, поэтому они представляют серьезную угрозу для окружающей среды даже при низких концентрациях.
Ученые из Красноярского научного центра СО РАН совместно с коллегами синтезировали наночастицы магнетита с серебром и исследовали их структуру и магнитные свойства, а также возможность поглощать или разрушать органические красители в воде.
«Исследования методов очистки воды и поиск новых возможностей все более востребованы. Актуальной становится тенденция к очистке воды с использованием магнитных наночастиц. Огромным преимуществом магнитных наночастиц является возможность их удаления из очищаемой жидкости с помощью магнитного поля и многократного последующего использования», — рассказывает Оксана Иванова, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН.
Основным магнитным материалом, который используется в качестве поглотителя загрязняющих веществ в жидкостях, считается магнетит. Он обладает хорошими магнитными свойствами, прост в получении, легко поддается модификации и нетоксичен. Ученые решили модифицировать наночастицы серебром для улучшения их антибактериальных, адсорбционных, каталитических и фотокаталитических свойств.
«Сочетание магнетита и серебра в наночастицах придает им особые свойства, поскольку серебро обладает высокой каталитической активностью, а магнетит характеризуется большим магнитным моментом. Это позволяет легко манипулировать частицами с помощью магнитного поля бесконтактным способом в самых разнообразных средах», — объясняет Оксана Иванова.
Поскольку метод синтеза наночастиц играет важную роль в определении их характеристик, исследователи подошли к этому вопросу с особым вниманием. Наночастицы магнетита с серебром были получены с помощью модифицированного сольвотермического метода — помещения реагентов с растворителем в автоклав под высоким давлением и температурой. Этот метод применяется для синтеза новых соединений, поскольку многие вещества лучше растворяются в таких условиях. Учёные внесли изменения в процесс, применив поливинилпирролидон в синтезе, что позволило получить пористую поверхность наночастиц магнетита.
Наноструктуры выдерживали в автоклаве несколько часов при температуре 200°С. За это время наночастицы магнетита превращались в нанокристаллы и собирались в глобулы с ядром из серебра. При этом термическая обработка в течение шести часов обеспечивала более пористые образования с большим количеством адсорбционных центров на поверхности наночастиц. Увеличение времени термической обработки приводило к «заращиванию» пор. Исследователи отметили у разработанных материалов высокую намагниченность и низкую коэрцитивную силу. Благодаря этим способностям разработанные наночастицы можно легко удалять из жидкости с помощью магнитного поля. Эти параметры идеально подходят для использования частиц в качестве адсорбентов загрязняющих веществ из жидкой среды.
Следующей задачей было – определить способность новых частиц поглощать красители из воды. Анализ проводили на органических красителях – конго красном и метиленовом синем. Высокопористые наночастицы практически мгновенно поглощали синий краситель. Специалисты также отметили возможность регенерации наночастиц для их повторного использования после контакта с красителями. Очистка поверхности наночастиц после адсорбции красителей проводилась простой промывкой в этиловом спирте.
Оксана Иванова, научный сотрудник Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН. Фото Анастасии Тамаровской / ФИЦ КНЦ СО РАН
«Эксплуатационные характеристики наночастиц сильно зависят от условий синтеза. Например, скорость и количество адсорбированного красителя зависели от условий синтеза наночастиц и полученной формы, а каталитическая способность определялась составом частиц. Наш подход обладает существенными преимуществами по сравнению с существующими методами адсорбции, поскольку он не требует дополнительной обработки поверхности наночастиц и добавления растворителей. Синтезированная система наночастиц продемонстрировала более высокую каталитическую активность в разложении конго красного и метилооранжевого красителей по сравнению с известными в литературе результатами», — уточняет Оксана Иванова.
В исследовании также принимали участие специалисты из Национального университета Пиндун (Тайвань). Исследование поддержано Российским научным фондом (проект № 23-22-10025) и Красноярским краевым фондом науки.
Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».
Источник информации и фото: Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук»