Наноуглероды в комплексе с аминогруппами улучшают очистку воды

Москва, 09:22, 21 Мар 2020, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.

Ученые из Нагойского университета в Японии разработали одностадийный процесс изготовления, который улучшает способность наноуглеродов удалять токсичные ионы тяжелых металлов из воды. Результаты, опубликованные в журнале ACS Applied Nano Materials, могут помочь улучшению всеобщего доступа к чистой воде.

Различные наноуглероды изучаются и используются для очистки воды и сточных вод путем адсорбции красителей, газов, органических соединений и ионов токсичных металлов. Эти наноуглероды могут адсорбировать ионы тяжелых металлов, такие как свинец и ртуть, на их поверхности благодаря силам молекулярного притяжения. Но это притяжение слабое, и поэтому они сами по себе не очень эффективные адсорбенты.

Чтобы улучшить адсорбцию, ученые рассматривают возможность добавления молекул к наноуглеродам, таких как аминогруппы, которые образуют более прочные химические связи с тяжелыми металлами. Они также пытаются найти способы использования всех доступных поверхностей на наноуглеродах для адсорбции ионов металлов, включая поверхности их внутренних пор. Это увеличило бы их способность адсорбировать больше ионов металлов одновременно.

Ученый-материаловед Нагахиро Сайто из Института инноваций для будущего Нагойского университета и его коллеги разработали новый метод синтеза «амино-модифицированного наноуглерода», который более эффективно адсорбирует несколько ионов тяжелых металлов по сравнению с традиционными методами.

Они смешали фенол в качестве источника углерода с соединением под названием APTES в качестве источника аминогрупп. Эту смесь помещали в стеклянную камеру и подвергали воздействию высокого напряжения, создавая плазму в жидкости. Используемый ими метод, называемый «процесс плазменного растворения», поддерживался в течение 20 минут. Черные осадки из амино-модифицированных углеродов образовались и были собраны, промыты и высушены.

Разнообразные тесты показали, что аминогруппы равномерно распределены по поверхности наноуглерода, в том числе в его щелевидных порах.

 

«Наш одностадийный процесс облегчает связывание аминогрупп как на внешней, так и на внутренней поверхностях пористого наноуглерода», — говорит Сайто. «Это резко увеличило их адсорбционную способность по сравнению с самим наноуглеродом».

 

Исследователи подвергают амино-модифицированные наноуглероды через десять циклов адсорбции ионов меди, цинка и кадмия, промывая их между каждым циклом. Хотя способность к адсорбции ионов металлов снижалась при повторяющихся циклах, снижение было небольшим, что делало их относительно стабильными для повторного использования.

Наконец, команда ученых сравнила свои амино-модифицированные наноуглероды с пятью другими, синтезированными обычными методами. Их наноуглерод обладал самой высокой адсорбционной способностью для протестированных ионов металлов, что указывает на то, что в их наноуглероде больше аминогрупп, чем в других.

 

«Наш процесс может помочь снизить затраты на очистку воды и приблизить нас к достижению всеобщего и справедливого доступа к безопасной и доступной питьевой воде для всех к 2030 году», — говорит Сайто.