Исследователи создали новые наночастицы, которые эффективно очищают сточные воды и не требуют последующей утилизации.

Статья опубликована в журнале Physica Scripta. XXI век стал свидетелем растущего глобального водного кризиса. С учетом быстрого увеличения населения, возрастания потребления водных ресурсов и ухудшения состояния окружающей среды, необходимость в эффективной очистке сточных вод становится более актуальной, чем когда-либо. По прогнозам, к 2030 году две трети населения Земли будут жить в городах, что создаст дополнительную нагрузку на системы водоснабжения и очистки. Решение гуманитарных и экологических проблем требует внедрения инновационных технологий в процесс очистки сточных вод, особенно от токсичных красителей, используемых в текстильной, бумажной и кожевенной отраслях.

Среди доступных методов очистки выделяются механические, химические и биологические, однако многие из них имеют свои ограничения: биологические методы требуют времени для активации бактерий, а химические могут приводить к образованию опасных побочных продуктов. Сорбция, предполагающая поглощение загрязняющих веществ твердыми материалами, является самым быстрым и эффективным способом. Но для этого необходимо утилизировать отработанный сорбент.

Существенным шагом вперед в этой области стали наночастицы нитрида титана (TiN). Эти наночастицы, которые можно создать с помощью импульсной лазерной абляции, обеспечивают быстрое и эффективное удаление загрязняющих веществ благодаря эффективной электростатической адсорбции, что делает их очень привлекательными для применения в системах очистки.

Физики Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ совместно с коллегами синтезировали наночастицы нитрида титана с использованием лазерной абляции (испарение вещества под действием лазерных импульсов и его последующая конденсация в виде наночастиц) в жидкости. Им удалось продемонстрировать, что эти наночастицы обладают уникальными адсорбционными свойствами и способны эффективно поглощать катионные красители. Их высокая удельная поверхность и возможность управления стехиометрией делают их особенно перспективными для решения задач очистки.

Исследователи фокусировали лазерный луч на мишени с помощью специальной линзы. Лазер перемещался по поверхности мишени из нитрида титана, описывая спираль, чтобы избежать перегрева одной точки, с использованием сканера. Процесс длился 30 минут, в результате чего образовались наночастицы, придающие коллоидному раствору насыщенный синий цвет.

В эксперименте физики изучали, как наночастицы TiN, синтезированные в различных растворителях (воде, ацетоне и ацетонитриле), взаимодействуют с метиленовым синим. Все три типа наночастиц имели круглую форму, но их размеры немного различались. Для корректного сравнения все образцы наночастиц были перенесены в воду, предварительно центрифугированы и многократно промыты от остатков органических растворителей. В итоге концентрация наночастиц TiN в воде составила 0,1 г/л.

Для проверки способности наночастиц TiN поглощать метиленовый синий был проведен эксперимент. Наночастицы смешивали с раствором метиленового синего при комнатной температуре для получения концентрации 20 мг/л красителя. Полученные растворы были тщательно перемешаны и отцентрифугированы. Затем с помощью спектрофотометра определялась концентрация красителя, оставшегося в растворе. В результате экспериментов наночастицы TiN, синтезированные в воде, показали наилучшие сорбционные свойства.

Исследователи также оценили эффективность сорбции других катионных красителей, таких как кристаллический фиолетовый и малахитовый зеленый. Наночастицы, синтезированные в воде, эффективно удалили все эти красители из растворов, особенно хорошо они справлялись с кристаллическим фиолетовым.

Однако кристаллический фиолетовый и малахитовый зеленый не адсорбировались на наночастицах, созданных в ацетоне и ацетонитриле. Просвечивающая электронная микроскопия синтезированных наночастиц, проведенная на базе Центра Коллективного Пользования МФТИ, показала, что в наночастицах, синтезированных в воде, в процессе абляции формируются специальные полости, которые способствуют лучшему захвату красителей.

Метод лазерной абляции позволяет изменять размер и форму наночастиц, что дает возможность создавать более эффективные сорбенты без использования опасных химических реагентов. Это важное преимущество, особенно актуальное в условиях растущих требований к безопасности технологий.

«Можно с уверенностью утверждать, что наночастицы нитрида титана, синтезированные методом лазерной абляции в жидкости, имеют необходимые свойства для решения актуальных задач по очистке сточных вод от красителей, — отметил Илья Мартынов, старший научный сотрудник лаборатории двумерных материалов и наноустройств МФТИ. — Это не только шаг к улучшению качества очистки сточных вод на промышленных предприятиях, но и важный шаг к устойчивому и экологически безопасному будущему для нашего общества».

«Также стоит отметить, что в этой технологии отсутствует проблема утилизации сорбента. Наночастицы TiN могут быть использованы повторно. Для этого необходимо отжигать наночастицы при температуре горения органических примесей. В большинстве случаев достаточно нагревать до 300 градусов по Цельсию», — добавил Илья Завидовский, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории контролируемых оптических наноструктур МФТИ.

Исследование финансировалось РНФ при поддержке Министерства науки и высшего образования России.