Проекты

Новые железосодержащие материалы для очистки воды

Работа призёра конкурса проектов и исследований «Наука для жизни» открытой городской научно-практической конференции «Наука для жизни» в секции «Прикладная химия. Материаловедение»

Направление работы: Зеленая инженерия
Авторы работы: ГБОУ Школа № 2065
Предметы: Химия, Экология
Классы: 10 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Наука для жизни» открытой городской научно-практической конференции «Наука для жизни» 2021 года

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.