Новый сорбент для химической промышленности

Химики из России и Казани разработали газопламенный способ получения нового сорбента на основе оксида графена, который можно использовать для очистки воды от органических красителей. Разработка перспективна для очистки воды от органических красителей. Работа поддержана грантами Российского научного фонда (№ 22-19-00110, № 21-73-20024). Результаты исследований опубликованы в журнале Carbon https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118122.

В настоящее время в химической промышленности, фармацевтике, косметологии и парфюмерии используют более 60 видов синтетических красителей. Некоторые из них могут быть опасны для живых организмов, поскольку могут вызывать мутации, аллергию или даже рак. Красители попадают в окружающую среду со сточными водами промышленных предприятий и накапливаются в ней. В связи с этим, остро встает проблема разработки простых способов очистки сточных вод.

Извлечение красителей с помощью сорбентов — один из распространенных методов выделения красителей, основанный на селективном поглощении веществ из смеси твердым материалом — сорбентом. Этот метод выгодно отличают высокая эффективность, технологичность, простота интеграции в системы химического анализа и экологическая безопасность.

Коллектив ученых из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Химического института им. А.М. Бутлерова Казанского федерального университета и Сколковского института науки и технологий предложил способ получения нового сорбента, основанный на сверхбыстром пропускании оксида графена через кислородно-пропановую газовую смесь. Полученный материал сохраняет структуру оксида графена, но при этом увеличивает площадь поверхности по сравнению с исходным материалом почти в 30 раз за счет образования большого количества пор с диаметром в несколько нанометров. Оксид графена, полученный таким методом, способен быстро и эффективно очищать воду от органических красителей.

«Метод газопламенной обработки используют в основном для напыления защитных металлических и керамических покрытий. Мы применили этот метод, чтобы получить новый уникальный материал с большой площадью поверхности и высокой пористостью, — рассказала научный сотрудник Лаборатории химии обменных кластеров ИОНХ РАН, кандидат химических наук Юлия Иони. — До этого было известно, что оксид графена, представляющий собой слой моноатомов углерода, покрытый кислородсодержащими группами, при нагреве уже выше 80°С теряет кислород и превращается в восстановленный оксид графена (графен). В своих экспериментах мы обнаружили, что в результате сверхбыстрого, в течение доли секунды, пропускания через пламя порошкообразный оксид графена не только не сгорает и не восстанавливается, но и практически полностью сохраняет свой химический состав. При этом столь быстрая термическая обработка приводит к удалению воды между слоями оксида графена, поэтому получается вспученная структура, напоминающая меха гармошки. За счет этого поверхность оксида графена многократно увеличивается, а в слоях образуются большое количество наноразмерных пор».

По словам исследователей, увеличенная площадь поверхности газопламенного оксида графена и наличие большого количества пор свидетельствуют о перспективах использования материала в качестве нового эффективного сорбента. Это и было доказано в дальнейших экспериментах по исследованию адсорбции органического красителя из водного раствора. Модифицированный в газовом пламени оксид графена продемонстрировал более высокую скорость удаления красителя, и более высокую сорбционную емкость – всего за 20 минут адсорбент полностью удалял краситель метиленовый синий из водного раствора. Благодаря тому, что порошок оксида графена после газопламенной обработки не распадается в водной среде на отдельные частицы, его можно легко отделить от очищенной воды.