Ученые МИСИС разработали метод очистки воды от красителей с помощью магнитных наночастиц

Новости МирТесен

Ученые из НИТУ МИСИС получили мезопористые наночастицы феррита кобальта, способные поглощать разнообразные органические красители. Эффективность поглощения зависит от размера пор материала. Это достижение дает новые перспективы для очистки промышленных сточных вод, исключая необходимость дополнительной химической обработки сорбента. Ключевым преимуществом материала является сохранение его рабочих характеристик даже после многократного применения.

Органические красители относятся к числу наиболее часто встречающихся загрязнителей водных ресурсов. Они попадают в сточные воды предприятий текстильной, фармацевтической и химической отраслей и плохо удаляются с помощью обычных технологий очистки. Используемые магнитные наноадсорбенты нуждаются в химической модификации поверхности наночастиц для достижения эффективной фиксации загрязнителей: подобные покрытия сужают диапазон веществ, которые можно улавливать, усложняют работу очистных систем и последующую регенерацию сорбента.

Специалисты из НИТУ МИСИС и РНИМУ им. Н.И. Пирогова установили, что изменение поверхности наночастиц не является необходимым условием. Ключевую роль в определении того, какой краситель и как будет поглощён, играет их внутренняя структура.

Был получен синтез стержневидных наночастиц феррита кобальта – микроскопических магнитных структур, имеющих поры двух размеров: мелкие (до 10 нм) и крупные (до 50 нм). Отношение пор определялось скоростью нагрева при обжиге матрицы, используемой для создания наночастиц: более низкая скорость нагрева способствовала большему количеству мелких пор. После очистки воду наночастицы можно быстро и легко извлечь с помощью обычного магнита.

Для изучения влияния пор на поглощение, ученые внесли наночастицы в растворы, содержащие три красителя: метиленовый синий, метиловый оранжевый и эриохром синий.

«Выбор этих трех красителей обусловлен их распространенностью в промышленности и частым присутствием в сточных водах. Метиленовый синий находит применение в медицине, а также используется для окрашивания хлопка, шерсти и шёлка. Будучи продуктом анилинового производства, он способен в значительных концентрациях загрязнять водные ресурсы в районах, где развита химическая промышленность. Метиловый оранжевый применяют в химической и текстильной отраслях. Данное вещество обладает токсичностью и представляет опасность при вдыхании, проглатывании и контакте с кожей. Эриохром синий используют в текстильной промышленности для окрашивания тканей. Общим свойством этих красителей является их крайне медленное разложение в естественной среде и трудность удаления с помощью обычных методов очистки. В результате попадания в водные объекты они сохраняются там на протяжении длительного времени. Однако наша разработка справил ась с каждым из них», — отметил кандидат наук Алексей Никитин, доцент кафедры физического материаловедения НИТУ МИСИС.

Эриохром синий показал неожиданное поведение: при взаимодействии с наночастицами он формировал крупные скопления, достигающие сотен нанометров в диаметре. При небольшой концентрации краситель хорошо проникал внутрь, однако при более высокой концентрации агрегаты вновь растворялись. Подобная реакция впервые зафиксирована для красителей этого типа. Более детальные результаты исследования опубликованы в научном журнале Journal of Colloid and Interface Science (Q1).

«Новая технология меняет устоявшееся мнение о том, что определяющим фактором для сорбента является только химия его поверхности. Не менее значимую роль играет структура пор. В перспективе предприятия получат возможность применять сорбенты, специально разработанные для конкретных загрязнителей, что обеспечит более простое, экономичное и надёжное решение в реальных производственных условиях. К тому же, красители отличаются разнообразием молекулярной структуры и, попадая в воду, приобретают различный электрический заряд, что делает их удобным инструментом для исследования процессов адсорбции», — отметил доктор химических наук Максим Абакумов, руководитель лаборатории «Биомедицинские наноматериалы» НИТУ МИСИС.

Работа проведена в рамках стратегического технологического проекта «Биомедицинская инженерия и биоматериалы» НИТУ МИСИС, реализуемого в соответствии с программой «Приоритет-2030» Министерства науки и высшего образования Российской Федерации».