Ученые из МФТИ и МИФИ с коллегами из Китая изготовили наночастицы нитрида титана (TiN) и изучили их сорбционные свойства. Оказалось, что они являются очень перспективным кандидатом на решение 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.
Рисунок 1. 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. Источник: журнал 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, номер гранта — 22-19-00094, при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (ФСМГ-2024-0014).
