Новые железосодержащие материалы для очистки воды

Актуальность

Самый распространённый неорганический загрязнитель воды в западной части Москвы и Московской области — 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 наночастиц Fe₃O₄, чтобы в процессе Фентона с помощью полученного таким образом катализатора разложить органические токсиканты.

Цель

Получение из Fe(II,III), загрязняющего природные воды, нанокатализаторов на основе Fe₃O₄, разлагающих органические токсиканты с приемлемой 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

Оборудование:

• АСМ Compact («PHYWE»)
• Спектрофотометр («Экрос»)
• Датчик pH («Releon Lab»)
• Датчик температуры («Releon Lab»)
• Чашка Петри

Реактивы:

• Алюмосиликатный сорбент «АС1» (Россия)
• Катионообменная смола HCR («Гейзер», Россия)
• Лигнин (Россия)
• Железный купорос (ч)
• Хлорид железа (III), гексагидрат (ч)
• Лимонная кислота (пищ.)
• Н₂О₂, 34,5−36,5% («Sigma-Aldrich®»)
• Аммиак, 25%-ный водный раствор («РусХим»)
• Метиленовый синий (ч.д.а.)
• Реактивы для фотометрического определения содержания железа по ГОСТ 4011-72

Описание

В ходе выполнения работы автор выполнил всесторонний анализ имеющихся данных об очистке воды от железа, а также от органических токсикантов с помощью процесса Фентона; научился получать наночастицы Fe₃O₄ с узким распределением частиц по размерам по методике из практикума по нанотехнологиям МГУ; разработал способы синтеза аналогичных наночастиц на подложках и аналогичных наноматериалов с использованием в качестве источника Fe(III) проб природной воды;

изучил с помощью сканирующей зондовой микроскопии микроморфологию поверхности образцов;

записал и проанализировал электронные спектры поглощения наиболее значимых образцов;

провел кинетический эксперимент и проверил сорбционную способность и плавучесть (после сорбции) композита наночастиц Fe₃O₄ с лигнином;

проанализировав всю совокупность данных, сделал выводы и на их основе продумал стратегию дальнейшего развития проекта.

Метод синтеза – сонохимический; методы изучения структуры – сканирующая зондовая микроскопия и электронная спектроскопия поглощения; метод изучения каталитической активности – разложение в процессе фотохимического процесса Фентона модельного субстрата метиленового синего.

Результаты работы/выводы

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

Методом сканирующей зондовой микроскопии автор доказал нанометровые размеры свежеприготовленных частиц Fe₃O₄, также обнаружил их последующее укрупнение.

Сканируя композиты, автор убедился, что при нанесении наночастиц Fe₃O₄ на подложки удается достичь по крайней мере на полгода предотвращения его агрегации.

На первом этапе работы автор выяснил, что в качестве катализаторов в процессе Фентона композиты наночастиц магнетита с общедоступными носителями – сорбентом АС-1 и катионообменной смолой HCR – сравнимы по активности с цеолитом FeZSM-5, полученным в ИК РАН.

На втором этапе автор выяснил, что каталитическая активность композитов наночастиц магнетита, полученного с использованием Fe(II,III) на основе образцов воды из пруда, всего на 18−20% уступает активности аналогов, полученных только из лабораторных реактивов.

Перспективы использования результатов работы

В дальнейшем планируется сопоставить эффективность полученных катализаторов в процессах фотохимического, электрохимического и фотоэлектрохимического процесса Фентона; разработать алгоритм оптимизации процесса Фентона (катализатор – наночастицы магнетита, иммобилизованные на носителе) для очистки воды с учётом исходных характеристик конкретной пробы.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

НИТУ МИСиС

Награды/достижения

1. XII Городской Экофорум – лауреат.

2. Всероссийский конкурс ЮИОС по направлению «Зелёная инженерия» – призер.

3. Открытая городская научно-практическая конференция «Инженеры будущего» 2021 г. – призер.