Уведомления
Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь, чтобы оценивать материалы, создавать записи и писать комментарии.
Авторизуясь, вы соглашаетесь с правилами пользования сайтом и даете согласие на обработку персональных данных.
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 Ученые давно знают как с хорошим приближением прогнозировать рост поверхностей. Но экспериментально подтвердить точное соответствие реальных процессов и модели — гораздо более сложная задача, у которой, тем не менее, есть решение.
На Меркурии может появиться первый в истории «вечный рассвет»: ученые предложили отправить туда планетоход, который будет постоянно ехать вдоль границы дня и ночи. Подход открывает путь к изучению одного из самых загадочных миров Солнечной системы без риска разрушительного перегрева.
Микробиологи вырастили неизвестный ранее вид Асгард-архей из гиперсоленых микробных матов и впервые сделали 3D-снимки их прямого физического контакта с симбиотическими бактериями. Анализ томограмм показал встречное структурное движение: археи формируют сложную сеть из нитей и отпочковывающихся мембранных пузырьков, а бактерии прокладывают к этой сети прямые белковые нанотрубки. Визуализация подтверждает гипотезу о том, что эукариотические клетки возникли в результате тесного физического и метаболического переплетения двух микроорганизмов.
Когда международная экспедиционная группа, исследующая море Уэдделла в Антарктиде на борту ледокола «Поларштерн», попыталась укрыться от шторма, ученые и экипаж судна удивились внезапному появлению острова, не обозначенного ни на одной морской карте.
Ученые давно знают как с хорошим приближением прогнозировать рост поверхностей. Но экспериментально подтвердить точное соответствие реальных процессов и модели — гораздо более сложная задача, у которой, тем не менее, есть решение.
Окаменелые остатки рептилии возрастом 289 миллионов лет сохранили полное анатомическое устройство грудной клетки ранних покорителей суши. Благодаря нетронутым хрящам исследователи реконструировали механику первого полноценного реберного дыхания. Наличие в тканях оригинальных белков подтвердило, что сложные органические молекулы способны сохраняться в палеонтологической летописи почти на 100 миллионов лет дольше, чем считалось.
В парках некоторых стран все чаще можно заметить странную картину: синицы и воробьи вместо пуха и веточек приносят в клювах сигаретные окурки. Орнитологи из Польши решили выяснить, зачем птицы выстилают гнезда мусором, пропитанным никотином. Оказалось, пернатые нашли способ использовать вредную человеческую привычку для защиты своего потомства. Но, как это часто бывает в природе, у медали есть обратная сторона.
Марсоход «Персеверанс» обнаружил в камнях на кромке кратера Езеро спектральные признаки минерала корунда, из которого на Земле образуются рубины и сапфиры. Такие спектры на Красной планете зарегистрировали впервые. Теперь ученые пытаются понять, при каких процессах он мог там сформироваться, ведь условия на Марсе заметно отличаются от тех, в которых корунд обычно образуется на Земле.
Четыре человека, летящие к Луне, столкнулись с целым рядом мелких неприятностей — от низкой температуры в начале работы до поломки мочевыводящей системы туалета на вторые сутки и необходимости взамен пользоваться пакетами. К счастью, пока самые крупные сложности удалось компенсировать. Но все они вместе могут сдвинуть ситуацию к решению, о котором Naked Science уже говорил в нашем видеоподкасте о миссии: не исключено, что при высадке астронавтов на Луне их корабль состыкуют со Starship не на окололунной, а уже на околоземной орбите.
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