Российские микрокапсулы выведут «синьку» на чистую воду
Соль обычно мешает очистке воды. Но созданные российскими химиками новые микрокапсулы при высокой концентрации соли неожиданно стали работать намного эффективнее.
Дмитрий ПавловАвтор Hi-Tech Mail
Ученые Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН создали сорбционную систему, способную быстро удалять из воды метиленовый синий — синтетический краситель, широко используемый в текстильной, химической и бумажной промышленности. В советское время вещество продавалось в аптеках как дезинфицирующее средство — все звали его «синькой».
Главное открытие оказалось неожиданным: высокая концентрация соли не ухудшила работу материала, а, наоборот, резко ее усилила.
В лабораторных экспериментах при 160 мМ NaCl (примерно 0,935%, то есть чуть крепче физраствора) микрокапсулы поглощали 82 г метиленового синего на 1 г сорбента. Равновесие устанавливалось примерно за 20 минут. По расчетам авторов разработки, полученный показатель примерно в 91 раз превышал значение, приведенное для ближайшего препарата-конкурента.
Чем соленее вода, тем неожиданнее результат
Сорбент представляет собой микрокапсулы диаметром 4,5 ± 1 мкм. Их оболочка состоит из чередующихся слоев двух полимеров с противоположными зарядами — полиаллиламина и полистиролсульфоната. Сначала их наносят на частицы карбоната кальция, а затем минеральную основу растворяют. В итоге остается полимерная оболочка с развитой внутренней поверхностью.
Именно здесь начинается самое интересное. При концентрации NaCl до 80 мМ способность капсул связывать краситель снижалась. Однако в диапазоне 140–160 мМ она резко возрастала — более чем в пять раз относительно исходного уровня. Для большинства сорбентов все происходит наоборот: избыток ионов мешает поглощению загрязнителя.
Исследователи первоначально предполагали, что главным механизмом будет электростатическое взаимодействие. Но эксперимент заставил пересмотреть эту гипотезу. Авторы связывают эффект с комбинацией гидрофобных взаимодействий, π–π-взаимодействий между ароматическими структурами и так называемого высаливания. Соль снижает гидратацию молекул красителя и одновременно экранирует электростатическое отталкивание, позволяя им ближе подходить к поверхности капсул.
Еще одна особенность — устойчивость процесса к кислотности среды. При pH 3,48, 6,65 и 10,45 доля связанного красителя практически не менялась.
«Синьку» можно вернуть обратно
Микрокапсулы показали не только высокую емкость, но и обратимость сорбции. После переноса насыщенного материала в дистиллированную воду около 98% метиленового синего высвобождалось уже в первые две минуты, причем без специальных реагентов.
Это указывает на принципиальную возможность регенерации сорбента. В перспективе краситель можно будет возвращать в технологический цикл, хотя такую возможность еще предстоит проверить на практике.
Разработка является второй работой ученых ИТЭБ РАН по применению микрокапсул для очистки стоков. Предыдущая была посвящена удалению гексацианоферратов калия и защищена патентом РФ.
Пока технология остается лабораторной. Исследователям предстоит испытать микрокапсулы на реальных многокомпонентных промышленных стоках, выяснить влияние различных примесей, оценить число циклов регенерации и решить задачу отделения микрокапсул от очищенной воды. Еще один барьер — отсутствие промышленного производства материала. При этом, по словам разработчиков, интерес к технологии уже проявили четыре компании на специализированной выставке.
Метиленовый синий выбран в качестве модельного загрязнителя не случайно: его часто используют при исследовании технологий очистки воды. Сами красители представляют проблему для водных экосистем, поскольку окрашивание воды уменьшает проникновение света и способно нарушать фотосинтез. Именно поэтому ученые по всему миру проверяют самые разные сорбенты — от полимерных материалов до отходов сельского хозяйства.
На портале Hi-Tech Mail неоднократно освещалась тема необычных способов очистки промышленных и бытовых сточных вод. В своих экспериментах российские и зарубежные ученые поручали эту ответственную задачу гибридным адсорбентам на основе пропитанной ионами серебра целлюлозы, гречишной шелухе и даже «специально обученным» диатомовым водорослям.
российские ученыеХимияПоделиться
