Сотрудники Института неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН разработали технологию получения сорбентов на основе диоксида кремния, позволяющую улавливать все возможные красители, применяющиеся в промышленности.

Потенциально такие сорбенты можно будет использовать в фильтрах для очистки сточных вод. Кроме того, некоторые из них подойдут для создания гибридных пигментов, необходимых для многих отраслей производства. Результаты исследования опубликованы в Journal of Molecular Liquids.

Необходимость в групповой и селективной сорбции из водных сред с каждым годом становится всё актуальней. Большое количество отходов текстильной и кожевенной промышленности попадает в сточные воды, которые нуждаются в очистке. На некоторых производствах для крашения используются органические растворители, для их создания также нужны сорбенты. Поэтому перед учёными стоит задача разработать сорбенты, которые будут эффективно функционировать во всех этих применениях.

Исследователи ИНХ СО РАН создают сорбенты на основе диоксида кремния (кремнезема). Такие сорбенты обладают поверхностным зарядом за счёт функциональных групп, которые играют ключевую роль в их сорбционной способности. Именно электрический заряд влияет на то, будет ли сорбент притягивать или отталкивать определённые загрязнители, такие как ионы тяжёлых металлов или различные красители.

«Выбор диоксида кремния (SiO₂) в качестве сорбента обусловлен его характеристиками: он обладает большой удельной поверхностью, отличными механическими свойствами и сильной адгезией к некоторым материалам. Развитая поверхность наночастиц SiO₂ и возможность её модификации позволяют варьировать их зарядовые характеристики в широком интервале. На способность поверхности кремнезёма к преобразованию влияет содержание различных типов силанольных групп (Si–OH) и их концентрация. Эти группы определяют поверхностный заряд, который может изменяться в зависимости от рН среды, полярности растворителя, адсорбции ионных поверхностно-активных веществ и химической модификации, — рассказывает научный сотрудник ИНХ СО РАН кандидат химических наук Никита Олегович Шапаренко. — Таким образом, кремнезём сочетает в себе физические и химические свойства, которые делают его уникальным сорбентом. Получение сорбентов на основе SiO₂ с различными характеристиками открывает возможность сорбировать все возможные красители, которые используются в промышленности, как натуральные (антоцианы, куркумин, кармин и другие), так и синтетические (тартразин, метиленовый синий, бриллиантовый зелёный и так далее)».

В отличие от SiO₂, полученного трудоёмким методом Штобера (химическим методом), кремнезём, используемый в этом исследовании, доступен в неограниченном количестве и обладает воспроизводимыми характеристиками. Физические методы получения наночастиц в промышленных масштабах более предпочтительны ввиду экономической составляющей и хорошей воспроизводимости по размерам.

Исходные наночастицы диоксида кремния проявляют сорбционные свойства, но они селективны в малом количестве растворителей, и только к катионным красителям. Поэтому целью сотрудников ИНХ СО РАН было получить набор сорбентов с различным поверхностным зарядом. Для этого частицы диоксида кремния модифицировали двумя подходами: адсорбционным и химическим. В первом случае готовилась суспензия SiO₂ в воде, куда вводились поверхностно-активные вещества (ПАВ). Эти ПАВ сорбировались на поверхности частиц, формируя поверхностный заряд, что было подтверждено физико-химическими методами. Для получения разного поверхностного заряда использовали катионные и анионные ПАВ. Химическая модификация была направлена на создание частиц с положительным поверхностным потенциалом. Это достигалось путем аминирования исходных частиц: введением аминогруппы (—NHR,—NH₂) или её замещённых форм в молекулы соединений.

Таким образом исследователям удалось получить набор из четырёх перспективных сорбентов, имеющих широкий диапазон электрокинетического потенциала (от -35 до 40 мВ), который определяет поверхностные свойства частиц.

Затем эти четыре сорбента детально охарактеризовали различными физико-химическими методами. Варьируя условия модификации, ученые создали сорбенты с высокими значениями электрокинетического потенциала (поверхностного заряда). «По отдельности каждый из них можно применять в качестве селективного сорбента по электростатическому механизму. Однако для получения набора из сорбентов, который будет эффективен со всеми красителями и во всех средах, ещё необходимы дополнительные исследования», — отметил Никита Шапаренко.

Исследователь рассказал, что потенциально технологию получения сорбентов на основе диоксида кремния можно будет использовать в фильтрах для очистки сточных вод. Набор сорбентов способен селективно сорбировать катионные, анионные и сольвентные красители. Также некоторые из этих сорбентов подойдут для получения гибридных пигментов, которые необходимы во многих сферах промышленности. Не исключено, что в будущем модификация цветными красителями может быть использована в электрофоретических дисплеях.

«На данном этапе мы подробно исследуем электростатический механизм сорбции и количественно изучаем сорбцию различных красителей на полученных образцах. Также параллельно занимаемся формированием гибридных пигментов на основе модифицированных частиц диоксида кремния. Полученные пигменты будут подробно охарактеризованы различными физико-химическими методами. Следующие этапы работ будут посвящены исследованию адсорбции наночастиц-плазмоников (металлические или полупроводниковые наночастицы, способные взаимодействовать с электромагнитными волнами, вызывая колебания свободных носителей заряда. — Прим. ред.) на полученные сорбенты и пигменты. В качестве плазмоников мы планируем использовать гидрофильные и гидрофобные наночастицы серебра и золота», — прокомментировал Никита Шапаренко.

Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.

Текст: Диана Хомякова.
Источник: «Наука в Сибири».