Новые железосодержащие наноматериалы для очистки воды

Актуальность

Самый распространённый неорганический загрязнитель воды в западной части Москвы и МО – соединения железа (чаще всего – из подземных источников – гидрокарбонат и сульфат железа(II), которое потом окисляется до +3). Один из передовых способов деструкции органических токсикантов – т. н. «процесс Фентона», в котором катализаторами разложения Н₂О₂ до активных радикалов служит Fe(II,III), как правило, на носителях с развитой поверхностью.

На западе Москвы протекает речка Ликова, приток Десны. Именно она стала тем объектом, над очисткой которого мы работаем.

Цель

Получение из соединений? Fe(II,III), загрязняющих природные воды, наноструктурированных катализаторов для очистки (в процессах Фентона) от органических токсикантов с приемлемой скоростью воды маленькой, катастрофически загрязнённой речки Ликова.

Задачи

1. Синтезировать композит нано-Fe₃O₄ с лигнином (используя Fe³⁺ из природной воды).

2. Изучить полученный образец методами электронной спектроскопии поглощения и сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ).

3. Отобрать и проанализировать пробы воды из выбранного в качестве объекта очистки водоёма (р. Ликова).

4. Проверить эффективность композита лигнин/нано-Fe₃O₄ для очистки воды на примере проб сильно загрязнённой воды из р. Ликова объёмом 0,5 л и 5 л.

5. Проверить эффективность образцов, использованных в п. 4, при повторном использовании в процессах Фентона с регенерацией раствором FeSO₄ и без неё (на примере разложения метиленового синего).

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Спектрофотометр ПЭ-5400УФ
• Центрифуга-вортекс ELME LV-1006
• Весы CAS ХE-300
• Мешалка магнитная Edustrong
• Сканирующий зондовый микроскоп Phywe Compact
• Мультидатчик Point Хим-1 с температурным датчиком и датчиком рН
• Капсулы с буфером Micro Essential Lab Hydrion ™ для калибровки

Описание

На основании прошлогодних наработок использовали один распространённый тип загрязнения – превышение ПДК железа – для борьбы с другими загрязнениями (органическими токсикантами) путём перевода железа (II, III) в оксидные наночастицы на лигнине, придав ему магнитовосприимчивость без потери сорбционной способности и плавучести. На недробленый лигнин осаждали наномагнетит, который не только упростил сбор лигнина с поверхности воды, но и послужил катализатором в процессе Фентона.

Убедившись в наноразмерности, сорбционной способности и плавучести композита нано-Fe₃O₄/лигнин, а также впервые записав электронный спектр поглощения нано-магнетита путём его инкорпорирования в крейзы полиэтиленовой плёнки (зафиксированной на предметном стекле) и обнаружив его соответствие литературным данным, начали переходить от лабораторного эксперимента к реальному применению. Решили погружать композит лигнина с наномагнетитом в грязную воду, проводить фотодеструкцию токсикантов по Фентону и собирать магнитовосприимчивый композит.

Пробная очистка катастрофически загрязнённой воды из р. Ликова прошла успешно, что подтвердило официальное заключение. После этого провели проверку фотокаталитической активности однократно использованного композита, и мгновенное разложение модельного субстрата МеВ на свету доказало возможность повторного использования катализатора (вне специальной регенерации) без потери эффективности. (Чтобы проверить регенерацию наномагнетита на лигнине, собрали порции катализатора из обеих проб воды Ликова и разделили на две примерно одинаковые части. Одну порцию обработали водным раствором FeSO₄, а другую просто промыли водой. И в обоих процессах фотоФентона (с MeB) не удалось собрать данные для построения кинетической кривой, т. к. разложение хромофора произошло во много раз быстрее, чем в кинетическом эксперименте прошлого года, а точнее почти мгновенно (в темноте так не было).

Результаты работы/выводы

1. Автор получил из одного токсиканта – Fe(II,III) – серию катализаторов для разложения другого – органических соединений. Судя по электронным спектрам, мы во всех случаях получали Fe₃O₄.

2. Методом СЗМ автор доказал наличие нанорельефа у всех полученных образцов.

3. 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 Институте катализа; каталитическая активность композитов наномагнетита, полученного с использованием Fe(III) из пруда, всего на 18−20 % уступает активности аналогов, полученных только из лабораторных реактивов.

4. Впервые был записан электронный спектр поглощения наномагнетита путём его инкорпорирования в крейзы полиэтиленовой плёнки (зафиксированной на стекле).

5. Анализом проб воды из р. Ликова установлено (и верифицировано) катастрофическое превышение в ней ПДК по БПК и содержанию аПАВ.

6. С помощью нового композита лигнина с нано-Fe₃O₄ удалось очистить до 5 л воды из р. Ликова, снизив показатели «БПК» и «аПАВ» до ПДК.

7. Установлено полное сохранение фотокаталитической активности нового композита после очистки воды из р. Ликова (в т. ч. и без специальной регенерации).

Перспективы использования результатов работы

В дальнейшем мы хотим провести очистку самой р. Ликова. Проверить воспроизводимость синтезов по количеству нанесённого Fe₃O₄; провести комплексную характеризацию образцов методами СЭМ, БЭТ и т. д.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

НИТУ МИСиС

Награды/достижения

Конференция «Инженеры будущего» 2020/2021 – призёр.

ЮИОС – призёр.

Конференция «Курчатовский проект» 2020/2021 – призёр.

Конференция «Учёные будущего» 2021/2022 – призёр.

Конференция «Курчатовский проект – от знаний к практике, от практики к результату» – победитель.

Конкурс «Большие вызовы» – победитель.

Мнение автора

«Мы надеемся, что наш проект будет использоваться для очистки водоёмов. Это не только поможет улучшить экологическую ситуацию, но и спасёт тысячи водоёмов, которые являются важным источником пресной воды»