Ученые синтезировали новые наночастицы, которые эффективно очищают сточные воды и не требуют утилизации
Исследователи из МФТИ и МИФИ с коллегами из Китая изготовили наночастицы нитрида титана (TiN) и изучили их сорбционные свойства. Оказалось, что они очень перспективны для решения проблемы очищения сточных вод.
Исследование опубликовано в журнале Physica Scripta. XXI век стал свидетелем нарастающего глобального водного кризиса. В условиях стремительного роста населения, увеличения потребления водных ресурсов и загрязнения окружающей среды необходимость в эффективной очистке сточных вод становится важной как никогда. По статистике, уже к 2030 году две трети населения Земли будут проживать в городах, что создаст дополнительную нагрузку на системы водоснабжения и очистки. Преодоление гуманитарных и экологических проблем требует внедрения инновационных технологий в процесс очистки сточных вод, особенно от токсичных красителей, используемых в текстильной, бумажной и кожевенной отраслях.
Среди существующих методов очистки выделяются механические, химические и биологические, однако, многие из них имеют свои ограничения: биологические методы требуют времени для активации бактерий, а химические могут производить опасные побочные продукты. Сорбция же, предполагающая поглощение загрязняющих веществ твердыми материалами, является наиболее быстрым и эффективным способом. Но для этого требуется утилизация отработанного сорбента.
Важным шагом вперед в этой области стали наночастицы нитрида титана (TiN). Наночастицы TiN, которые можно создать при помощи импульсной лазерной абляции, обеспечивают быстрое и эффективное удаление загрязняющих веществ благодаря эффективной электростатической адсорбции, что делает их крайне привлекательными для применения в системах очистки.
Физики Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ с коллегами синтезировали наночастицы нитрида титана с помощью лазерной абляции (испарения вещества под действием лазерных импульсов и его последующей конденсации в виде наночастиц) в жидкости. Им удалось экспериментально показать, что эти наночастицы обладают уникальными адсорбционными свойствами и способны эффективно поглощать катионные красители. Что делает их особенно перспективными — это высокая удельная поверхность и возможность управления стехиометрией, которая позволяет модифицировать их свойства для решения задач очистки.
Исследователи фокусировали луч лазера на мишени с помощью специальной линзы. Его перемещали по поверхности мишени, изготовленной из нитрида титана, описывая спираль, чтобы избежать нагрева одной точки, при помощи сканатора. Процесс длился 30 минут и в результате образовались наночастицы, придающие коллоидному раствору насыщенный синий цвет.
Схематическое изображение экспериментальной установки для лазерной абляции в жидкостях. (1) — фемтосекундный Yb:KGW лазер, (2) — гальванометрический сканер с линзой F-theta, (3) — абляционная камера с мишенью TiN и приготовленным коллоидным раствором / © Александр В. Сюй и др., Physica Scripta
В эксперименте физики изучали, как наночастицы TiN, синтезированные в разных растворителях (воде, ацетоне и ацетонитриле), взаимодействуют с метиленовым синим. Все три типа наночастиц имели круглую форму, но их размеры немного отличались. Для корректности сравнения все образцы наночастиц были перенесены в воду, предварительно центрифугированы и многократно промыты от остатков органических растворителей. В итоге концентрация наночастиц TiN в воде составила 0,1 г/л.
Для проверки способности наночастиц TiN поглощать метиленовый синий был проведен эксперимент. Наночастицы смешивали с раствором метиленового синего при комнатной температуре для получения концентрации 20 мг/л красителя. Полученные растворы были интенсивно перемешаны и отцентрифугированы. Далее с помощью спектрофотометра определялась концентрация красителя, оставшегося в растворе. В результате экспериментов наночастицы TiN, синтезированные сразу в воде, показали наилучшую сорбционную способность.
Исследователи также изучили эффективность сорбции других катионных красителей, таких как кристаллический фиолетовый и малахитовый зеленый. Наночастицы, синтезированные в воде, эффективно удалили все эти красители из растворов. Особенно хорошо они удаляли кристаллический фиолетовый.
Однако кристаллический фиолетовый и малахитовый зеленый не адсорбировались на наночастицах, созданных в ацетоне и ацетонитриле. Просвечивающая электронная микроскопия синтезированных наночастиц, проведенная на базе Центра Коллективного Пользования МФТИ, показала, что в наночастицах, синтезированных в воде, в ходе абляции формируются специальные полости, которые помогают им лучше захватывать красители.
Метод лазерной абляции позволяет варьировать размер и форму наночастиц, что дает возможность создавать более эффективные сорбенты без использования опасных химических реагентов. Это важное преимущество, особенно актуальное в условиях повышения требований к безопасности технологий.
«Можно с уверенностью сказать, что наночастицы нитрида титана, синтезированные методом лазерной абляции в жидкости, обладают необходимыми свойствами для решения актуальных задач по очистке сточных вод от красителей, — рассказал Илья Мартынов, старший научный сотрудник лаборатории двумерных материалов и наноустройств МФТИ. — Это не только шаг к улучшению качества очистки сточных вод на промышленных предприятиях, но и важный шаг в направлении устойчивого и экологически безопасного будущего для нашего общества».
«Немаловажно и то, что в этой технологии нет проблемы с утилизацией сорбента. Наночастицы TiN могут быть использованы повторно. Для этого нужно отжигать наночастицы при температуре горения органических примесей. В большинстве случаев достаточно нагревать до 300 градусов по Цельсию», — добавил Илья Завидовский, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории контролируемых оптических наноструктур МФТИ.
Исследование финансировалось РНФ, при поддержке Министерства науки и высшего образования России.
Опубликовано при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий» № 075-15-2024-571.
Telegram 
Дзен 
VK Инфекции, такие как коронавирус, наносят серьезный удар организму, из-за чего даже после выздоровления он продолжительное время остается уязвимым. Сегодня для оценки иммунитета врачи смотрят в первую очередь на уровень антител в крови, однако такой подход не отражает реального состояния здоровья человека. Это не позволяет врачам точно прогнозировать, как будет протекать болезнь и насколько быстро пациент выздоровеет. Ученые Пермского Политеха и ПГАТУ впервые выяснили, как именно восстановление иммунитета зависит от пола человека и кто наиболее подвержен осложнениям после коронавирусной инфекции. Результаты исследования помогут правильно учитывать гендерные особенности пациента при лечении и реабилитации, что повысит точность прогнозов и эффективность терапии.
Ученые синтезировали три новых комплекса металла европия и нашли способ управлять яркостью их свечения (люминесценции). Подобные светящиеся соединения востребованы в биологии и медицине для визуализации тканей и отслеживания распределения лекарств по организму, а также в технике при разработке энергоэффективных дисплеев и светодиодов.
Физики Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ совместно с коллегами из Алферовского университета и ИТМО показали, как управлять свечением углеродных точек, помещая их на полупроводниковые нанопровода.
Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
Сканирующая туннельная микроскопия достигла квантово-механического предела пространства-времени. Физики провели эксперимент и смоделировали перемещение одиночного электрона с атомарной точностью и скоростью в доли фемтосекунды. Результат показал границы применимости квантовых законов и объяснил механику сверхбыстрых процессов.
Плавящийся асфальт в США, многие тысячи погибших в Западной Европе, своеобразное лето в России — все это списывают на вредоносный феномен рекордного Эль-Ниньо. И конечно же, на него спихивают и ожидаемый рост цен на кофе и основные сельхозтовары. Правда, есть в этой картине и белые пятна: в прошлые Эль-Ниньо мировые урожаи росли. Что скорее всего случится в 2026 году и отчего роль этого события может быть куда больше, чем мы думаем?
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно