Вчені синтезували нові наночастинки, які ефективно очищують стічні води та не потребують утилізації.

Дослідження опубліковане в журналі Physica Scripta. XXI століття стало свідком зростаючої глобальної водної кризи. У умовах стрімкого зростання населення, збільшення споживання водних ресурсів та забруднення навколишнього середовища потреба в ефективному очищенні стічних вод стає важливою як ніколи. За статистикою, вже до 2030 року дві третини населення Землі житимуть у містах, що створить додаткове навантаження на системи водопостачання та очищення. Подолання гуманітарних та екологічних проблем вимагає впровадження інноваційних технологій у процес очищення стічних вод, особливо від токсичних барвників, що використовуються в текстильній, паперовій та шкіряній промисловостях.

Серед існуючих методів очищення виділяються механічні, хімічні та біологічні, проте багато з них мають свої обмеження: біологічні методи потребують часу для активації бактерій, а хімічні можуть виробляти небезпечні побічні продукти. Сорбція, що передбачає поглинання забруднюючих речовин твердими матеріалами, є найшвидшим та ефективним способом. Але для цього потрібна утилізація відпрацьованого сорбента.

Важливим кроком уперед у цій галузі стали наночастинки нітриду титану (TiN). Наночастинки TiN, які можна створити за допомогою імпульсної лазерної абляції, забезпечують швидке та ефективне видалення забруднюючих речовин завдяки ефективній електростатичній адсорбції, що робить їх надзвичайно привабливими для використання в системах очищення.

Фізики Центру фотоніки та двомірних матеріалів МФТІ разом із колегами синтезували наночастинки нітриду титану за допомогою лазерної абляції (випаровування речовини під дією лазерних імпульсів та її подальшої конденсації у вигляді наночастинок) у рідині. Їм вдалося експериментально показати, що ці наночастинки мають унікальні адсорбційні властивості і здатні ефективно поглинати катіонні барвники. Те, що робить їх особливо перспективними, — це висока питома поверхня та можливість управління стехіометрією, яка дозволяє модифікувати їхні властивості для вирішення завдань очищення.

Дослідники фокусували промінь лазера на мішені за допомогою спеціальної лінзи. Його переміщали по поверхні мішені, виготовленій з нітриду титану, описуючи спіраль, щоб уникнути нагріву однієї точки, за допомогою сканера. Процес тривав 30 хвилин, і в результаті утворилися наночастинки, які надали колоїдному розчину насичений синій колір.

В експерименті фізики досліджували, як наночастинки TiN, синтезовані в різних розчинниках (воді, ацетоні та ацетонітрилі), взаємодіють з метиленовим синім. Усі три типи наночастинок мали круглу форму, але їхні розміри трохи відрізнялися. Для коректності порівняння всі зразки наночастинок були перенесені у воду, попередньо центрифуговані та багаторазово промиті від залишків органічних розчинників. В результаті концентрація наночастинок TiN у воді склала 0,1 г/л.

Для перевірки здатності наночастинок TiN поглинати метиленовий синій було проведено експеримент. Наночастинки змішували з розчином метиленового синього при кімнатній температурі для досягнення концентрації 20 мг/л барвника. Отримані розчини були інтенсивно перемішані та відцентрифуговані. Далі за допомогою спектрофотометра визначалася концентрація барвника, що залишився у розчині. В результаті експериментів наночастинки TiN, синтезовані одразу у воді, продемонстрували найкращу сорбційну здатність.

Дослідники також вивчали ефективність сорбції інших катіонних барвників, таких як кристалічний фіолетовий та малахітовий зелений. Наночастинки, синтезовані у воді, ефективно видалили всі ці барвники з розчинів. Особливо добре вони видаляли кристалічний фіолетовий.

Проте кристалічний фіолетовий та малахітовий зелений не адсорбувалися на наночастинках, створених в ацетоні та ацетонітрилі. Просвічуюча електронна мікроскопія синтезованих наночастинок, проведена на базі Центру Колективного Користування МФТІ, показала, що в наночастинках, синтезованих у воді, під час абляції формуються спеціальні пори, які допомагають їм краще захоплювати барвники.

Метод лазерної абляції дозволяє варіювати розмір і форму наночастинок, що дає можливість створювати більш ефективні сорбенти без використання небезпечних хімічних реагентів. Це важлива перевага, особливо актуальна в умовах підвищення вимог до безпеки технологій.

«Можна з упевненістю стверджувати, що наночастинки нітриду титану, синтезовані методом лазерної абляції в рідині, мають необхідні властивості для вирішення актуальних завдань з очищення стічних вод від барвників, — розповів Ілля Мартинов, старший науковий співробітник лабораторії двомірних матеріалів і наноелементів МФТІ. — Це не тільки крок до покращення якості очищення стічних вод на промислових підприємствах, але й важливий крок у напрямку сталого і екологічно безпечного майбутнього для нашого суспільства».

«Не менш важливо й те, що в цій технології немає проблеми з утилізацією сорбента. Наночастинки TiN можуть бути використані повторно. Для цього потрібно віджигати наночастинки при температурі горіння органічних домішок. У більшості випадків достатньо нагрівати до 300 градусів за Цельсієм», — додав Ілля Завідовський, кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник лабораторії контрольованих оптичних наноструктур МФТІ.

Дослідження фінансувалося РНФ, за підтримки Міністерства науки та вищої освіти Росії.