Основная трудность промышленных сорбентов заключается в их ограниченной области применения. Новое решение, основанное на наночастицах кремнезема и ПАВ, эффективно справляется с загрязнителями, не зависимо от их физических и электрохимических характеристик.
Специалисты Института неорганической химии имени Николаева Сибирского отделения РАН создали методику получения сорбентов, которые способны улавливать все красители, используемые в быту, строительстве и промышленности. В основе сорбента лежит двуокись кремния — обычный кремнезем, который в большом количестве доступен в природе. Такого рода сорбенты могут быть полезны в системах очистки сточных вод и в процессе создания гибридных пигментов. Результаты работы опубликованы в журнале Journal of Molecular Liquids.
Потребность в селективной нейтрализации промышленных красителей возрастает с каждым годом. Эти вещества являются отходами от кожевенной и текстильной промышленности, а также авторемонтных мастерских, предприятий пищевой отрасли и строительства. Часто вместе с красителями применяются более токсичные органические растворители, которые также попадают в природные водоемы и требуют срочной нейтрализации.
Сорбенты, основанные на диоксиде кремния, обладают активностью на поверхности благодаря заряженным функциональным группам. Полярность и величина электрического заряда определяют их способность притягивать молекулы красителей, а также ионы тяжелых металлов и другие загрязнители, растворенные в воде.
Научный сотрудник ИНХ СО РАН, кандидат химических наук Никита Шапаренко выделил несколько причин, по которым ученые выбрали диоксид кремния (SiO2) в качестве основы для создания сорбентов:
- Высокая удельная поверхность наночастиц SiO2;
- Механические характеристики;
- Хорошая адгезия к большинству красящих загрязнителей.
Исследователи научились варьировать заряды частиц двуокиси кремния в широком диапазоне в зависимости от свойств среды сорбции. Кремнезем оказался способным к электромеханическим преобразованиям благодаря концентрации так называемых силанольных групп Si—OH. Учитывая pH очищаемой среды и характеристики конкретных загрязнителей, ученые могут подобрать оптимальную кислотность сорбента.
Эксперименты продемонстрировали, что сорбент на основе электрохимически модифицируемого кремнезема с одинаковой эффективностью адсорбирует:
- Антоцианы;
- Кармин;
- Куркумин;
- Бриллиантовый зеленый (зеленка);
- Метиленовый синий (синька);
- Тартразин и другие.
Первые три красителя являются натуральными, последние три — синтетическими.
Кремнезем доступен в природе в неограниченных количествах. Наиболее затратной частью процесса производства является получение наночастиц определенного размера, однако авторы нашли способ, который оказался дешевле известной технологии Штобера.
В ходе экспериментов задача усложнялась. Дело в том, что исходные наночастицы SiO2 эффективно адсорбировали только катионные красители, не улавливая анионные вещества и органические растворители, используемые для разведения красок. В итоге удалось создать сорбенты с разнообразием поверхностных зарядов, что позволяет им эффективно справляться с различными загрязнителями.
Ученые применили две методики. В первом случае в суспензию диоксида кремния добавлялись поверхностно-активные вещества, которые формировали необходимый поверхностный заряд, обвивая частицы SiO2. Катионные ПАВ обеспечивали положительный заряд на поверхности, а анионные — отрицательный.
Второй метод заключался в химической модификации поверхностного заряда только в положительном направлении. В исходные наночастицы вводились аминогруппы (—NHR,—NH₂), где R — углеводородный радикал. В результате аминирования наночастицы получали «хвосты» и положительный заряд, что позволяло им адсорбировать отрицательно заряженные частицы загрязнителей.