Ученые получили сорбент, максимально удаляющий медь и цинк из воды

13:24, 21 марта 2022

Основа сорбента — вещество, природный источник которого содержится в организмах насекомых

Как утверждают Асмаа Абуельсоад и Елена Ковалёва, сорбент очищает воду за 40-60 минут. Фото: Илья Сафаров.

Международный коллектив ученых во главе с сотрудниками Уральского федерального университета синтезировал новый сорбент, обладающий уникальными способностями удалять из водных растворов такие тяжелые металлы, как медь и цинк. Полученный сорбент можно использовать для эффективной очистки от ионов тяжелых металлов шахтных, рудных вод, сточных вод промышленных предприятий и питьевой воды. Статья с описанием результатов опубликована в издании International Journal of Molecular Sciences.

«Основа синтезированного сорбента — хитозан, природный биополимер, который получают путем щелочной обработки хитина, содержащегося в водорослях, дрожжах и являющегося основным компонентом клеточных стенок грибов, экзоскелетов членистоногих и других беспозвоночных. Хитин — один из самых распространенных возобновляемых материалов на Земле. Исследования, проведенные в свое время мною и моими студентами в Руанде, показали, что наиболее доступным источником хитина, помимо дорогостоящих панцирей ракообразных, являются организмы насекомых, которых можно разводить специально для получения биомассы хитина», — рассказывает Елена Ковалёва, руководитель исследовательской группы, профессор кафедры технологии органического синтеза, ведущий научный сотрудник лаборатории органического синтеза УрФУ.

Хитозан сам по себе обладает выраженными адсорбционными свойствами, так как содержит амино- и гидроксильные группы, которые легко образуют комплексы с ионами металлов. Химики улучшили адсорбционные свойства хитозана сшиванием его с помощью глутаральдегида и эпихлоргидрина и дальнейшей модификацией с помощью диэтилентриамина и добавления монохлоруксусной кислоты.

«В серии экспериментов мы установили, что наиболее продуктивно процессы адсорбции ионов меди и цинка протекают при комнатной температуре и показателе кислотности водных растворов pH, равном 3,5. Максимальная, 60%, адсорбция ионов меди и цинка из водного раствора происходила в течение 40 минут в первом случае и 60 минут — во втором. Таким образом, модифицированный нами хитозан продемонстрировал лучшие адсорбционные характеристики по сравнению с такими известными сорбентами, как активированный уголь, бентонит, шабазит, целлюлоза, рисовая шелуха, и другими», — сообщает Асмаа Абуельсоад (Египет), аспирантка кафедры технологии органического синтеза УрФУ, основной исполнитель исследовательского проекта.

На втором этапе работ исследовательская группа, в которую, помимо сотрудников УрФУ, входили ученые Египта, Италии, Саудовской Аравии и Иордании, провела регенерацию модифицированного сорбента путем десорбции ионов меди и цинка. В результате экспериментов ученые выяснили, что удаление из хитозана наибольшего количества ионов меди обеспечивается растворами с определенными концентрациями азотной кислоты. Такой же эффект в случае с ионами цинка дает мочевина.

«Другими словами, полученный нами сорбент пригоден для многократного использования. А медь и цинк, извлеченные в результате цикла адсорбции и десорбции, вернутся в промышленное производство. Тем самым технология очистки с помощью нашего сорбента промышленных стоков, а также питьевой воды, будет экологичной и экономичной», — подчеркивает Елена Ковалёва.

Исследования поддержаны грантом Российского фонда фундаментальных исследований.

Справка

Медь и цинк, как и ртуть, свинец, мышьяк и некоторые другие химические элементы, относятся к тяжелым металлам. Большое количество тяжелых металлов содержится в промышленных стоках, которые могут вызывать загрязнение водных ресурсов. Для питьевой воды медь и цинк очень токсичны — несмотря на важность для промышленных и сельскохозяйственных процессов. Чрезмерное потребление меди вызывает высокое кровяное давление, повреждение почек и печени, респираторные заболевания и судороги. Избыточное количество цинка может вызвать болезни желудка, раздражение кожи, судороги и анемию. Поэтому в последние несколько десятилетий наука уделяет большое внимание задаче удаления этих загрязняющих веществ из воды.