Департамент науки ТГТУ

1. Цели научного исследования

Целью настоящего исследования является разработка научно-технологических основ процессов извлечения тяжёлых и редкоземельных металлов из водных растворов композиционными материалами на основе модифицированного графена. Исследование процессов модифицирования исходной углеродной структуры полимерными соединениями, позволяющими значительно увеличить сорбционную активность материала по ионам тяжёлых и редкоземельных элементов. Экспериментальное определение эффективных параметров процесса модифицирования (время, температура, рН среды, соотношение компонентов, использование катализаторов), а также механизмов формирования композиционной структуры. Комплексная оценка физико-химических и функциональных свойств синтезированных материалов. Определение природы взаимодействия адсорбата с поверхностью адсорбента (в том числе с использованием термодинамических исследований), выявление лимитирующей стадии процесса сорбции, а также селективности в ряду тяжелых и редкоземельных элементов

2. Задачи научного исследования

2.1. Разработка научно–технологических основ синтеза высокоэффективных сорбентов на основе графена с регулируемыми характеристиками: изучение режимных параметров синтеза, закономерностей влияния различных факторов (соотношение исходных компонентов, температура, время, рН среды и т.д.) на формирование углеродных наноструктур с заданными параметрами.

2.2. Исследование фундаментальных основ процессов жидкофазной сорбции-десорбции ионов тяжелых и редкоземельных металлов, наиболее распространенных при загрязнении вод, на новых наноструктурированных материалах c учетом влияния основных эффектов (например, pH и ионная сила среды, начальная концентрация поллютанта в очищаемой системе, соотношение массы навески к объёму раствора, время контакта и пр.); определение основных кинетических и термодинамических закономерностей сорбционного процесса; исследование корреляционной зависимости между структурой сорбента и механизмами сорбционно-десорбционного взаимодействия.

3. Основные результаты работы

В рамках реализации проекта были комплексно исследованы сорбционные свойства синтезированных композиционных материалов на основе оксида графена и модификаторов различной природы. Установлено, что состав синтезируемых композиционных материалов и условия их получения ключевым образом влияют на физико-химические свойства и сорбционную активность при извлечении примесей различной химической природы. В рамках проведённых исследований были получены высокоэффективные сорбционные материалы на основе оксида графена и полигидрохинона, оксида графена и полианилина, и оксида графена и наночастиц железа. Показано, как условия получения (соотношения исходных компонентов, режимные параметры процесса) влияют на физико-химические и адсорбционные свойства материалов. Установлено, что полимерные модификаторы могут обеспечивать инициацию реакций ионного обмена при сорбционном извлечении тяжелых металлов из водных растворов. А использование их при создании композитов на основе оксидов графена позволяет формировать устойчивую структуру с высокой доступной поверхностью и как следствие, большим количеством адсорбционных центров. В результате такие материалы демонстрируют высочайшие сорбционные характеристики. При этом, природа функциональных групп во многом определяет сорбционные свойства. Например, для композиционного материала на основе полианилина было показано, что адсорбция катионного красителя значительно выше адсорбции анионного, что очевидно доказывает важность взаимодействия разнозарядных компонентов системы, представленных функциональными группами на поверхности и природой извлекаемых компонентов.

Для комплексного извлечения красителей различной природы показана возможность эффективного применения адсорбента на основе оксида графена, модифицированного наночастицами железа. Установлено, что такой адсорбент может одинаково эффективно адсорбировать как анионные, так и катионные красители. При этом, модификация наночастицами железа способствует появлению магнитных свойств, что придаёт дополнительные функциональные возможности и позволяет эффективно извлекать отработанный сорбент из воды не только фильтрованием и/или центрифугированием, а значительно менее энерго- и времязатратно – использованием постоянного магнита.

Показана возможность селективной адсорбции редкоземельных и тяжёлых элементов из многокомпонентных водных растворов, а также модельных растворов техногенного и природного происхождения (с макросодержаниями сторонних компонентов). Показано, что разработанные в рамках настоящего проекта материалы с высокой (до 95-100%) степенью селективности извлекают целевые компоненты, при том как концентрация щелочных и щелочноземельных элементов практически не изменяется, что позволяет говорить о возможности эффективного использования разработанных материалов в реальных процессах очистки загрязнённых водных сред.

4. Ожидаемые направления дальнейшего использования полученных за отчетный период результатов

Полученные экспериментальные данные послужат фундаментальной основой для дальнейшего развития тематики сорбционных исследований. В ходе реализации проекта были установлены важные закономерности, понимание которых позволяет существенно продвинуться в вопросах синтеза эффективных адсорбентов. Установленная высокая селективность синтезированных материалов позволяет предположить возможность их эффективного применения в реальных технологических процессах извлечения микроколичеств редких и редкоземельных элементов из техногенных растворов сложного состава. Планируется также исследовать возможность создания высокопористых материалов с большим количеством функциональных групп на поверхности, способных к селективной адсорбции ценных элементов. Планируется также исследовать возможность минимизации концентрации достаточно дорогого на сегодняшний день оксида графена в составе получаемых сорбентов на более дешевые источники углерода.