Проекты

Новые железосодержащие материалы для очистки воды

Работа призёра конкурса «Инженеры будущего» Открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Прикладная химия, физическая химия» среди работ учащихся 7−9 классов

Направление работы: Инженеры
Авторы работы: ГБОУ Школа № 2065
Предметы: Химия, Экология
Классы: 9 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» 2021 года

Актуальность

Самый распространённый неорганический загрязнитель воды в западной части Москвы и МО – соединения Fe (II, III). Но органических токсикантов в этих водах, увы, также много. Один из передовых способов их деструкции – т. н. «процесс Фентона», в котором катализаторами разложения Н2О2 до активных радикалов, разлагающих органические примеси, служат как раз соединения Fe (II, III).

Мы решили попробовать в рамках концепции «зелёной инженерии» не просто убрать из воды токсикант Fe (II, III), но и использовать его для синтеза нано-Fe3O4, чтобы в процессе Фентона с его помощью разложить органические токсиканты.

Цель

Получение из Fe (II, III), загрязняющего природные воды, катализаторов (нано-FexOy), разлагающих (по Фентону) органические токсиканты (в той же воде) с приемлемой (не меньше чем у аналогов) скоростью.

Задачи

  1. Получить нано-Fe3O4 (по методике) и его композиты с катионообменной смолой HCR, цеолитом АС1 и лигнином.
  2. Получить композиты нано-FexOy (FeO или Fe3O4) из проб природной воды.
  3. Изучить образцы методами электронной спектроскопии поглощения и сканирующей зондовой микроскопии.
  4. Проверить эффективность образцов в процессе Фентона.
  5. Проверить эффективность лигнинсодержащих образцов для сорбции нефти.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • АСМ Phywe Compact
  • Спектрофотометр ЭКРОС
  • Датчики ph, температуры Releon Lab
  • Алюмосиликатный сорбент «АС1» (Россия), катионообменная смола HCR («Гейзер», Россия), лигнин (Россия); железный купорос (ч), гексагидрат хлорида железа (III) (ч), лимонная кислота (пищ.)
  • 34.5−36.5%-й Н2О2 (Aldrich); 25%-й раствор аммиака (Русхим), метиленовый синий (ч. д. а.)
  • Реактивы для фотометрии содержания железа по ГОСТ 4011-72

Описание

  1. автор выполнила всесторонний анализ имеющихся данных об очистке воды от железа и, по Фентону, от органических токсикантов;
  2. научилась получать нано-Fe3O4 с узким распределением частиц по размерам по методике из практикума нанотехнологий МГУ, разработала способ синтеза аналогичных наночастиц на подложках и способ аналогичных наноматериалов с использованием в качестве источника Fe(III) проб природной воды;

  1. изучила с помощью двух АСМ микроморфологию поверхности образцов; записала и проанализировала электронные спектры поглощения наиболее значимых образцов;
  2. провела кинетический эксперимент и проверила сорбционную способность и плавучесть (после сорбции) в композите нано-Fe3O4 с лигнином;
  3. проанализировав всю совокупность данных, сделала выводы и на их основе продумала стратегию дальнейшего развития проекта.

В результате проекта:

1. Мы получили из одного токсиканта – катионов железа – катализатор для разложения другого – органических соединений. Судя по электронным спектрам, мы во всех случаях получали Fe3O4.

2. Методом СЗМ мы доказали нанометровые размеры свежеприготовленных частиц Fe3O4, но обнаружили их последующее укрупнение; сканируя композиты, мы убедились, что при нанесении нано-Fe3O4 на подложки мы, по крайней мере на полгода, предотвращаем его агрегацию.

Результаты работы/выводы

На первом этапе работы мы выяснили, что в качестве катализаторов (в процессе Фентона) композиты наномагнетита с общедоступными сорбентом АС-1 и катионообменной смолой HCR ничем не хуже цеолита FeZSM-5, полученного в ИК РАН.

На втором этапе мы выяснили, что каталитическая активность композитов наномагнетита, полученного с использованием Fe (III) из пруда, всего на 18−20% уступает активности аналогов, полученных только из лабораторных реактивов.

Данный проект может быть реализован для всех водоёмов с водозабором, загрязнённых одновременно и катионами железа, и органическими токсикантами (в виде металлорганических соединений).

Перспективы использования результатов работы

Проверить воспроизводимость синтезов по количеству нанесённого Fe3O4; изучить оптимальные условия окисления комплексов Fe (II) в пробах природной воды для получения катализаторов разложения органических загрязнителей; провести комплексную характеризацию образцов методами СЭМ, БЭТ и т. д.

Также будет завершена характеризация композитов на основе цеолита FeZSM-5 (Si:Fe = 50, общая формула (H)n[FenSi96−nO192](H2O)16, n<27; предоставлен Институтом катализа им. Борескова СО РАН).

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

Кафедра химии СУНЦ МГУ и НИТУ МИСиС

Награды/достижения (в каких конкурсах и с какими результатами выставлялась ранее эта работа)

  1. XII Городской Экофорум (МДЮЦ ЭКТ) – лауреат;
  2. Конференция «Создаём будущее вместе» (НИТУ МИСиС) – участник;
  3. Всероссийский конкурс ЮИОС по направлению «Зелёная инженерия» – призёр.

Мнение автора о своей работе, проекте «Инженерный класс в московской школе», конференции «Инженеры будущего», пожелания

«Проект даёт уникальную возможность попробовать себя в технической сфере.

Всё понравилось, огромное спасибо организаторам и школе за предоставление такой возможности.

Работу буду развивать; всё хорошо, признательна за положительную оценку работы»