Соль традиционно затрудняет очистку воды. Однако новые микрокапсулы, разработанные российскими химиками, при высоких концентрациях соли, наоборот, продемонстрировали значительно улучшенные результаты.
Специалисты Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН разработали сорбционную систему, которая способна эффективно удалять из воды метиленовый синий — синтетический краситель, применяемый в текстильной, химической и бумажной отраслях. В советские времена это вещество продавалось как дезинфицирующее средство — его называли «синькой».
Удивительное открытие заключалось в том, что высокая концентрация соли не только не снизила эффективность материала, но, наоборот, значительно ее повысила.
В ходе лабораторных испытаний при концентрации 160 мМ NaCl (примерно 0,935%, чуть больше обычного физраствора) микрокапсулы поглощали 82 г метиленового синего на 1 г сорбента. Установление равновесия происходило приблизительно за 20 минут. По расчетам авторов разработки, этот показатель в 91 раз превышал аналогичные значения ближайшего конкурента.
Чем выше концентрация соли, тем более удивительны результаты
Сорбент представлен микрокапсулами диаметром 4,5 ± 1 мкм. Их оболочка образована чередующимися слоями двух полимеров с противоположными зарядами — полиаллиламина и полистиролсульфоната. Сначала эти полимеры наносятся на частицы карбоната кальция, а затем минеральная основа растворяется. В результате остается полимерная оболочка с развитой внутренней поверхностью.
И здесь начинается самое увлекательное. При концентрации NaCl до 80 мМ способность капсул связывать краситель уменьшалась. Но в диапазоне 140–160 мМ она резко увеличивалась — более чем в пять раз по сравнению с исходным уровнем. Для большинства сорбентов наблюдается обратная ситуация: избыток ионов мешает поглощению загрязнителей.
Изначально исследователи считали, что основным механизмом будет электростатическое взаимодействие. Однако результаты эксперимента заставили их пересмотреть это предположение. Авторы связывают эффект с комбинацией гидрофобных взаимодействий, π-π-взаимодействий между ароматическими структурами и так называемого высаливания. Соль уменьшает гидратацию молекул красителя и одновременно экранирует электростатическое отталкивание, позволяя им приближаться к поверхности капсул.
Еще одной характеристикой является устойчивость процесса к изменению кислотности среды. При pH 3,48, 6,65 и 10,45 доля связанного красителя практически не колебалась.
«Синьку» можно вернуть обратно
Микрокапсулы продемонстрировали не только высокую сорбционную способность, но и обратимость процесса сорбции. После перемещения насыщенного материала в дистиллированную воду около 98% метиленового синего высвобождалось в первые две минуты, без необходимости использования специальных реагентов.
Это указывает на потенциальную возможность регенерации сорбента. В будущем краситель можно будет возвращать в технологический процесс, хотя такую возможность еще нужно проверить на практике.
Данная работа является второй по счету для ученых ИТЭБ РАН в области применения микрокапсул для очистки сточных вод. Предыдущая работа была посвящена удалению гексацианоферратов калия и защищена патентом РФ.
Пока технология находится на стадии лабораторных испытаний. Исследователям предстоит протестировать микрокапсулы на реальных многокомпонентных промышленных сточных водах, выяснить влияние различных примесей, оценить количество циклов регенерации и решить задачу отделения микрокапсул от очищенной воды. Еще одним препятствием является отсутствие промышленного производства материала. Тем не менее, разработчики уже встретили интерес со стороны четырех компаний на специализированной выставке.
Метиленовый синий выбран в качестве модельного загрязнителя не случайно: его часто используют для изучения технологий очистки воды. Сами красители представляют собой проблему для водных экосистем, так как окрашивание воды снижает проникновение света и может нарушать фотосинтез. Поэтому ученые по всему миру исследуют различные сорбенты — от полимерных материалов до сельскохозяйственных отходов.