Ученые МФТИ, НИЯУ МИФИ и XPANCEO с помощью технологии управляемой дефектной инженерии создали высокоэффективный адсорбент, который в 25 раз лучше исходного материала удаляет токсичные красители из сточных вод. Технология легко масштабируется, не требует токсичных растворителей и сложного оборудования, а сам адсорбент не образует токсичных отходов и может использоваться повторно.
Апробацию материалов в промышленных очистных установках планируется запустить уже в следующем году. Эффективность удаления красителей из раствора достигла 96,8%.
Ежегодно предприятия производят более 700 тысяч тонн синтетических красителей, из которых до 15% попадают в сточные воды, образуя устойчивые загрязнения. Красители ухудшают светопроницаемость водоемов, подавляют фотосинтез и токсичны в высоких концентрациях. Традиционные адсорбенты неэффективны из-за низкой емкости, селективности и сложной утилизации.
Ниобат лития, прочный и доступный материал, долгое время считался инертным для очистки воды. Однако ученые МФТИ, МИФИ и XPANCEO разработали модификацию, которая превратила его в эффективный поглотитель органических красителей.
Проблема очистки связана с «энтропийным штрафом» при адсорбции красителя на поверхности материала, что делает процесс термодинамически невыгодным. Чтобы сорбция стала самопроизвольной, нужно уменьшить энтропийный барьер или создать сильные центры связывания. Команда ученых преодолела этот барьер, измельчив порошок ниобата лития в планетарной мельнице, что создало на поверхности материала множество дефектов.
Как объяснил старший научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Илья Завидовский, эти дефекты активировали центры ниобия, превратив их в химические «зацепки» для молекул красителей. В результате слабое электростатическое взаимодействие заменилось на хемосорбцию, увеличив сорбционную емкость. В лабораторных испытаниях сорбент эффективно поглощал красители, образующие химические связи с ниобием, например, метиленовый синий и кристаллический фиолетовый. Метиловый оранжевый, не склонный к такому взаимодействию, поглощался слабо, подтверждая важность химического механизма сорбции.
Эффективность удаления красителей из раствора выросла до 96,8%. До механической обработки порошок ниобата лития поглощал примерно 4 мг красителя на грамм материала. После обработки эта способность увеличилась до 100 мг/г.
«Технология подкупает простотой и низкой стоимостью. Синтез идет в обычной воде, без токсичных растворителей и сложных стадий осаждения, что позволяет легко масштабировать метод под нужды крупных предприятий. Материал стабилен, допускает регенерацию и не образует вторичных токсичных отходов», – считает Александр Сюй, главный научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Изменение времени помола сдвигает край оптического поглощения материалов в ультрафиолетовую область, открывая возможности для перестраиваемых оптоэлектронных устройств. Апробацию на промышленном модуле планируют в течение года. Технология будет лицензирована и адаптирована под реальные стоки заводов. В исследовании участвовали ученые из МФТИ, МИФИ, ЮЗГУ, ИХТРЭМС КНЦ РАН, ПНИПУ и XPANCEO. Работа поддержана Минобрнауки России и РНФ.
Источник: наука.рф
распечатать статью
