Углеродные точки и диоксид кремния устраняют недостатки друг друга

Свинец и кобальт применяются в создании разных продуктов: сплавов, красок, электродвигателей, аккумуляторов и полимеров. Однако эти тяжелые металлы — одни из основных загрязнителей сточных вод производств, которые делают их токсичными для человека и окружающей среды. Попадание этих элементов в почву приводит к отмиранию растений и снижению их урожайности, а накопление в тканях человека вызывает отравление и повышает риск сердечно-сосудистых заболеваний.

Для удаления из воды ионов тяжелых металлов на промышленных станциях очистки сточных вод применяют несколько популярных методов, но все они имеют свои недостатки. Например, мембраны хоть и эффективны, но их дорого производить и, соответственно, масштабировать. Очистка с помощью химических агентов может привести к повторному загрязнению воды из-за большого объема шлама — мелкого порошкообразного осадка. Фотокатализ зависит от кислотности воды и больше подходит для очистки от органических загрязнителей.

Другой популярный метод очистки — использование сорбентов. Однако помимо сорбентов широкого профиля требуются селективные очистители для отдельных ионов металлов. С помощью ионной селективности они способны извлечь конкретный ион металла из водной среды. Высокая емкость сорбции позволяет использовать для очистки меньшую массу сорбента, чтобы захватить на поверхность больше загрязнителей. Также, если сорбент выдерживает много циклов регенерации, значит, его можно чаще использовать повторно, а ионы тяжелых металлов эффективно конвертировать в высокочистые концентрированные рассолы для их дальнейшей обработки, например, в гидрометаллургии или в химии катализаторов. Производство сорбентов — сложный процесс, который также загрязняет окружающую среду.

Ученые химико-биологического кластера ИТМО разработали многоразовый, недорогой и эффективный сорбент, который удаляет ионы свинца и кобальта из водных сред.

«Сорбент состоит из двух компонентов — углеродных точек и диоксида кремния. Последний давно известен как пористый, дешевый и легко отделяемый от воды сорбент. Но его слабость в недостатке функциональных групп, из-за чего у диоксида кремния невысокие сорбционные свойства. Функциональными группами обладают углеродные точки, которые тоже используются как недорогие сорбенты. Но удалять точки из воды сложно, поэтому они могут вызвать вторичное загрязнение воды. Мы решили совместить положительные качества обоих материалов, чтобы нивелировать отрицательные, и синтезировали новый гибридный сорбент»,— рассказал первый автор исследования, младший научный сотрудник лаборатории прикладных материалов для энергетики ИТМО Егор Рябченко.

Еще одним преимуществом углеродных точек оказалась их флуоресценция. По угасающему свечению специалисты понимают, насколько заполнены металлами активные участки сорбента и когда его нужно заменить.

Ученые провели эксперименты, чтобы оценить пористость и площадь поверхности сорбента, а также объем удаленных им свинца и кобальта при наличии ионов других тяжелых металлов, разном времени контакта, температуре, кислотности и засоленности воды. Выяснилось, что максимальное количество адсорбированных свинца и кобальта составило 258±4 мг/г и 168±6 мг/г соответственно. В том числе сорбент был протестирован и в неблагоприятных условиях, таких как высокая температура и кислотность воды. Уровень поглощения загрязнителей снизился вдвое от максимальных значений, но сорбент все еще остался эффективным.

Разработку ученых ИТМО можно использовать для статической очистки тяжелых металлов из сточных вод как на производстве, так и в бытовых условиях. Сорбент погружается в стоячую загрязненную воду, адсорбирует на поверхность тяжелые металлы, а затем извлекается из водной среды. После этого сорбент не выбрасывается, а идет на регенерацию со слабым раствором кислоты, которая помогает извлекать соли кобальта и свинца. На протяжении трех циклов регенерации эффективность сорбента по удалению тяжелых металлов остается выше 90%.

В дальнейшем ученые планируют провести исследования с другими комбинациями углеродных точек и изучить, как влияют изменения условий синтеза на конечный материал. Это исследование поможет получить новые материалы для селективной сорбции других металлов.

Источник:  https://vk.com/@-172626558-uglerodnye-tochki-i-dioksid-kremniya-ustranyaut-nedostatki-d