В рамках первого этапа международной практики, проводимой Учебно-научным центром Объединённого института ядерных исследований, студенты Британского университета в Египте и Каирского университета совместно с сотрудниками сектора нейтронного активационного анализа и прикладных исследований Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ выполнили работу по извлечению редкоземельного элемента Tb (тербий) из сточных вод, используя два типа сорбентов: наночастицы In2O3 (оксид индия) и биологический сорбент Arthrospira platensis (спирулина). По результатам работ была подготовлена научная статья, опубликованная в сентябре этого года в журнале Nanomaterials.

В настоящее время тербий широко применяется в производстве компонентов смартфонов, ноутбуков, сенсоров и телевизоров и других электронных устройств, а также является ключевым компонентом люминесцентных ламп. Одновременно с ростом спроса на тербий со стороны промышленных предприятий значительно увеличилось количество электронных отходов, содержащих этот элемент. Кроме того, добыча полезных ископаемых, нерегулируемое размещение отходов и отсутствие надлежащих процессов переработки способствуют достаточно высокому содержанию редкоземельных элементов в сточных водах — от 1 до 200 мг/л. Поэтому перед учёными всего мира сегодня стоит крайне важная задача: найти эффективные, экологически чистые и дешёвые методы извлечения тербия из отходов и сточных вод.

Сейчас одним из наиболее популярных методов извлечения металлов является биоадсорбция: ввиду ее простоты, дешевизны и высокой адсорбционной способности биосорбентов. Более того, в качестве сорбентов могут использоваться материалы, полученные из сельскохозяйственных или биотехнологических отходов.

Часто возникает вопрос, какие адсорбенты — биологические или специально синтезированные — более пригодны для крупномасштабного промышленного применения. Ответ на данный вопрос попытались найти сотрудники ЛНФ совместно со студентами из Каира.

«Начиналось всё с обычной практики, в ходе которой, казалось бы, студенты должны познакомиться с нашими методами, получить теоретические знания. Но ребята оказались очень заинтересованные, и мы пошли дальше, — рассказывает начальник сектора нейтронного активационного анализа и прикладных исследований ЛНФ ОИЯИ Инга Зиньковская. – Ислам Гомаа, студент Британского университета в Египте, привез с собой оксид индия, который был синтезирован им и его коллегами из Университета Хаиля Саудовской Аравии, Порт-Саидского университета, Университета Суэцкого канала Египта и Кливлендского государственного университета США. У Сабы Атреес из Каирского университета был некоторый опыт с биологическими объектами. Мы решили провести работу, сравнив сорбент Ислама с тем, который мы традиционно используем, — спирулиной. За две недели плодотворной работы мы успели провести эксперименты, обсчитали экспериментальные данные: ребятам это нужно было, потому что они готовили отчет по результатам практики. А затем решили довести этот отчет до статьи. Публикация вышла в сентябре этого года в журнале Nanomaterials».

В ходе работы исследователи растворили соли тербия в дистиллированной воде, а затем в разных колбах смешивали их с наносорбентом и биомассой спирулины. Было изучено влияние кислотности (pH), концентрации тербия и времени контакта на сорбционную способность тестируемых материалов. Как показали результаты, при pH 2,0 для обоих адсорбентов эффективность удаления ионов тербия была низкой: 2,8% для оксида индия и 20,5% для биомассы спирулины. Низкую адсорбцию ученые объяснили конкуренцией ионов водорода с ионами тербия за места связывания на поверхности адсорбентов. Увеличение pH способствовало увеличению эффективности извлечения ионов тербия, которая для оксида индия в диапазоне pH 4,0–7,0 составила 98–99%. В случае биомассы спирулины максимальное удаление тербия 66% было достигнуто при pH 3,0.

Влияние времени контакта на удаление металла изучалось для того, чтобы определить точку равновесия, в которой достигается максимальная адсорбционная емкость, и объяснить кинетику процесса. Для обоих адсорбентов эффективность удаления резко возрастала в первые три минуты взаимодействия сорбента с сорбатом, достигая 74% для оксида индия и 60% для биомассы спирулины, затем в системах устанавливалось равновесие.

При увеличении исходной концентрации тербия с 10 до 100 мг/л количество адсорбированных элементов увеличивалось с 5,7 до 85,8 мг/г для биомассы спирулины и с 9,4 до 60 мг/г для оксида индия. Увеличение адсорбции тербия с ростом концентрации его ионов объясняется более частым взаимодействием между ионами металлов и адсорбентами.

«Спирулина — хорошо известная цианобактерия, обладающая прекрасной адаптивностью к высокой щелочности, температуре, концентрации солей и различным загрязняющим веществам, — подчеркнула Инга Зиньковская. — К достоинствам спирулины относится и простота обработки, высокая продуктивность биомассы и высокая биосорбционная способность к металлам. Оксид индия, широко применяемый в качестве полупроводника для фотокаталитического разложения, солнечных батарей и газовых сенсоров, также хорошо показал себя в качестве адсорбента. С нашей точки зрения оба адсорбента пригодны для крупномасштабного промышленного применения. Однако плюс спирулины в том, что нет необходимости заранее ее синтезировать, как оксид индия, соответственно, не нужно затрачивать на это ресурсы».

Проведенное исследование показало, что изученные сорбенты обладают хорошим потенциалом для извлечения ионов тербия из сточных вод. Ученые отметили и еще один положительный результат работы: опубликованная в известном научном журнале статья положила начало сотрудничеству сотрудников ЛНФ с целым рядом научных институтов Египта, Саудовской Аравии и США.

Источник: ОИЯИ.