Уникальный симбиоз

Учёные из ТГТУ разрабатывают сорбенты нового поколения на основе наноматериалов

Тамбовщина — регион аграрный. Здесь ведут свою деятельность немало крупных хозяйств, специ­ализирующихся на растениевод­стве, свинокомплексов и птице­водческих предприятий. Учиты­вая растущие день ото дня пока­затели отрасли, работа каждого из них выстроена максимально эффективно, но, как водится, есть и обратная сторона медали. Зача­стую вредные отходы производ­ства АПК, несмотря на применяе­мые технологии очистки, всё же попадают в окружающую среду, негативно влияя на неё. Учёные ТГТУ, имея значительный успеш­ный опыт решения задач, связан­ных с защитой окружающей сре­ды и охраной здоровья человека, создают новые высокоэффек­тивные материалы, способные очистить загрязнённые водные объекты от вредоносной химии, «скрестив» высокотехнологич­ные углеродные наноматериалы и бюджетные растительные отхо­ды регионального АПК.

НА ПОРОГЕ ОТКРЫТИЙ

Открываю дверь лаборатории «Функциональные наноструктури- рованные материалы для процессов тонкой очистки жидкостей» и попа­даю в особый мир. На столах—слож­ное оборудование, которое сосед­ствует с разнообразными пробир­ками и контейнерами. Некоторые заполнены чем-то чёрным доверху, другие — наполовину, в третьих — лишь прикрыто донышко. «Нечто чёрное» внешне и по консистенции, которую, если приглядеться, можно рассмотреть сквозь тонкое стекло, напоминает пыль или чёрную пато­ку. Это для человека непросвещён­ного... На самом деле в пробирках содержатся различные углеродные субстанции. Хотя визуально трудно определить, где какая, химический состав у них разный.

Это исходное сырьё для серьёз­ных инновационных исследова­ний, проводимых сейчас на кафе­дре «Техника и технологии произ­водства нанопродуктов» командой учёных под руководством доктора технических наук, профессора, заслуженного деятеля науки РФ Алексея Ткачёва. Ровно год назад представители ТГТУ выиграли грант Российского научного фон­да, предложив использовать мно­гофункциональные наносорбенты нового поколения для ремедиации объектов сельскохозяйственного водопользования, улучшения ка­чества водных ресурсов АПК и ор­ганизации экологически чистых аквахозяйств. Изначально проект рассчитан на три года, но учитывая перспективность и актуальность его тематики, есть все шансы, что он будет продлён.

«Грант предполагает софинан- сирование: 50 процентов затрат берёт на себя область, так как про­ект содержит в себе региональный компонент, и ровно столько же — сам фонд, — поясняет руководи­тель лаборатории кандидат техни­ческих наук, доцент Александр Бу­раков. — Ежегодный размер гранта порядка семи миллионов рублей. Эти средства пойдут в том числе на формирование научной базы и приобретение оборудования, не­обходимого для исследований».

Значительная часть оборудова­ния уже закуплена. За время ак­тивной исследовательской работы по этому крупному направлению на кафедре, старт которой был дан в 2014 году, посчастливилось выи­грать два крупных гранта, которые позволили оснастить лабораторию необходимой экспериментальной и диагностической базой. В итоге оставалось докупить лишь то, что требовалось именно для создания многофункциональных наносор­бентов.

В дальнейшем они могут найти широкое применение для очистки сточных и грунтовых вод, а также ремедиации почв, в которые попа­дают пестициды и прочая химия с полей. Тема непростая, в России за неё мало кто берётся. В ТГТУ же не только взяли в разработку, но и стали новаторами, соединив для получения наносорбентов рас­тительные отходы сельскохозяй­ственного производства с углерод­ными наноматериалами. Особенность проекта ещё и в том, что всё исходное сырьё для исследований также закупили на Тамбовщине. Помимо подсолнечного шрота, это отходы рапса, сои и травяная мука.

«С помощью гидротермальной карбонизации мы получаем угле­родный субстрат, который ещё не может быть использован в каче­стве материала для очистки воды, — рассказывает кандидат технических наук доцент Ирина Буракова. — За­тем мы его щелочным способом ак­тивируем, чтобы удалить органику, которая содержится внутри, и от­крыть пористое пространство».

РОЖДЕНИЕ ГИБРИДНОГО МАТЕРИАЛА

На каждом этапе — своё оборудо­вание. Для получения материала проводят гидротермальную кар­бонизацию в автоклаве. Магнит­ная мешалка, нагревая до нужной температуры, равномерно переме­шивает. Поскольку все материалы зачастую используются в виде сухого порошка, то без сушильного шкафа тоже не обойтись. Для опре­деления эффективности работы конечного материала как сорбента используют ротаторы, центрифу­ги — в ней происходит отделе­ние твёрдой фазы от жидкой. Для оценки влияния температуры на сорбцию применяют инкубато­ры. Содержание вредных веществ в очищенном растворе определяют с помощью спектрометров и спектрофотометров.

Исходный материал с итоговым роднит разве что цвет. Его струк­тура после обработки меняется, вес — тоже. Беру небольшой пласт в руку. Несмотря на размеры, он практически невесомый и очень мягкий, словно бархат, это удивляет ничуть не меньше первого параме­тра. «У материала низкая насыпная плотность, и он летучий, поэтому мы работаем с ним предельно осторож­но — в халате, перчатках и респира­торе», — поясняет Ирина Буракова.

На базе лаборатории подробно анализируются сорбционные харак­теристики получившегося в итоге материала. Специалисты исследуют сорбцию ионов тяжёлых металлов, в частности, самария, свинца, цинка, меди, а также — различных синтети­ческих органических красителей, ко­торых на самом деле целая линейка. Каждый компонент — шрот, отходы сои и рапса, травяная мука—вводит­ся в исследование отдельно. Сейчас группа учёных работает со шротом. По словам Александра Буракова, уже получена целая линейка вариаций состава и степени активации этого материала. Материал, прошедший щелочную активацию, демонстри­рует впечатляющие результаты — степень очистки по красителям до­стигает 99 процентов!

В процессе работы «рождается» новый гибридный материал. Он содержит в себе дешёвую основу, те самые растительные отходы, и инновационные наноматериа­лы, которые проявляют очень вы­сокую сорбционную активность. Они дорогие, поэтому добавлять их нужно чуть-чуть, чтобы сорбент в итоге был доступным по цене. От­мерить сотые, а часто и тысячные доли грамма наноматериалов по­зволяют специальные аналитиче­ские весы, стоящие в лаборатории едва ли не на самом видном месте.

НАНОМИРУ ВСЕ ВОЗРАСТЫ ПОКОРНЫ

На самом деле исследования по со­рбции предполагают многоуровне- вость. Большое значение отводит­ся исследованиям по регенерации сорбента, ведь он должен обладать высокой степенью восстановле­ния, чтобы использоваться в тече­ние нескольких циклов.

На каждый год работы по про­екту определён свой список задач. Исследования на реальных водах запланированы на третий год, ког­да в условиях лаборатории будут проверены сорбенты выбранных линеек, и составлен их рейтинг. Для оценки конечных концентраций, по всей видимости, всё же придётся воспользоваться сертифицирован­ными лабораториями, поскольку оборудование, имеющееся в рас­поряжении сотрудников кафедры, рассчитано на оценку одного эле­мента загрязнения, находящегося в воде, а не целого их набора.

Помимо научных сотрудников ка­федры «Техника и технологии про­изводства нанопродуктов», в про­екте активное участие принимают аспиранты, магистранты и даже студенты. Большинство заинтересо­вались наноматериалами, ещё учась на младших курсах, и чуть позже уже выбрали их для научных изы­сканий. Под контролем опытных наставников они выполняют зна­чительную часть лабораторных ис­следований, в соавторстве готовят научные публикации, выступают на конференциях. И, конечно, в пер­спективе надеются сказать своё слово в науке. Преемственность поколений, которой придержива­ются в техническом университете буквально с момента его создания, этому всячески способствует.

«Наномир» интернационален и опыт ТГТУ подтверждает это. К профильным исследованиям, правда, уже вне проекта, актив­но привлекаются аспиранты- иностранцы. Так, Кадум Али Хуссейн Кадум из Ирана будет защищать дис­сертацию по наноматериалам и их применению в качестве сорбентов. Он считает это направление пер­спективным и намерен продолжить свои исследования и в дальнейшем.

СПРАВКА
Гидротермальная карбонизация — это химический процесс преоб­разования различных органических соединений в структурированный углерод.
Сорбция — поглощение твёрдым телом (сорбентом) различных ве­ществ из жидкой среды.

Елена МИЛОВАНОВА
фото Павла ВАСИЛЬЕВА
Тамбовская жизнь.2023.№27.С.5
Скачать