Исследовательская группа разработала нанофункционализированный магнитный углеродный композит, который эффективно удаляет из воды тяжёлые металлы, нефтепродукты и радиоактивные загрязнения, в том числе из образцов, взятых в Чернобыльской зоне отчуждения.

Исследование, опубликованное в C, демонстрирует, как нанотехнологии могут стать основой для нового поколения систем очистки воды, направленных на борьбу с загрязнением как промышленного, так и ядерного происхождения.

Поскольку промышленная деятельность и ядерные отходы продолжают оказывать негативное влияние на экосистемы, традиционные системы очистки в большинстве своём не справляются со сложными загрязняющими веществами. В этом исследовании в качестве основы для усовершенствованных сорбентов рассматривался терморасширенный графит (ТЭГ) — материал с большой площадью поверхности и сильными гидрофобными свойствами.

Объединив TEG с бентонитовой глиной, известной своей ионообменной способностью и безопасностью для окружающей среды, учёные создали магниточувствительный композит, способный улавливать металлы, радионуклиды и органические загрязнители.

В результате получается гибридный материал, который эффективно улавливает полярные и неполярные загрязняющие вещества, такие как остатки нефти и радиоактивные изотопы.

Проектирование и тестирование

Чтобы создать этот материал, учёные смешали графит высокой чистоты с серной кислотой и подвергли его термической обработке после реакции, чтобы расширить его слои. Они внедрили в структуру микро- и наночастицы железа и оксида железа, придав материалу магнитные свойства, чтобы его можно было легко восстановить после использования в очистке воды.

Чтобы подтвердить структуру и адсорбционные свойства композита, его исследовали с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и атомно-абсорбционной спектроскопии (ААС).

В ходе испытаний использовались имитация радиоактивных сточных вод и реальные образцы с объекта «Укрытие» в Чернобыле. Исследователи варьировали соотношение ТЭГ и бентонита и использовали механическую активацию для повышения однородности и эффективности сорбции.

Результаты тестирования

Композит показал впечатляющие результаты:

• Снижение ХПК: с 1500 до 135 мгО2/дм3
• Удаление металлов: цезия (81,4 %), стронция (89,9 %), марганца (~99 %)
• Удаление радионуклидов: эффективность удаления америция-241 и европия-154 составляет более 99,99 %.

Когда команда применила комплексную очистку к реальным радиоактивным сточным водам из Чернобыля, уровень радиоактивности снизился на три порядка. Второй этап очистки с использованием сорбента на основе ферроцианида позволил добиться полной дезактивации на 99,99 %.

Кроме того, материал сохранял свою структуру и эксплуатационные характеристики в течение нескольких циклов, что является ключевым показателем долговечности.

Практическое и перспективное применение

Эти результаты ясно указывают на потенциал композита ТЭГ-бентонит для использования в ядерных, нефтегазовых и муниципальных системах очистки сточных вод. Его способность удалять тяжёлые металлы, радионуклиды и органические остатки, в том числе из сточных вод, загрязнённых микропластиком, делает его универсальным средством для восстановления окружающей среды. Его магнитные свойства упрощают извлечение, сокращая количество отходов и затраты на очистку.

В условиях ужесточения законодательства и растущего спроса на очистку такие материалы могут сыграть важную роль в рациональном использовании водных ресурсов. В исследовании подчеркивается необходимость разработки масштабируемых и экологически эффективных решений для регионов с давними проблемами, связанными с промышленным или ядерным загрязнением.

Перспективы

Дальнейшие исследования будут направлены на оптимизацию состава композита, проверку его эффективности в различных условиях окружающей среды и масштабирование производства для применения в полевых условиях.

Долгосрочная стабильность, доступность и влияние на жизненный цикл будут учитываться на следующем этапе разработки, но уже сейчас можно сказать, что это многообещающий шаг на пути к более безопасным и чистым системам водоснабжения.