По оценкам исследователей, со времен промышленной революции выбросы ртути увеличились в четыре раза. Этот тяжелый металл, образующийся при сжигании ископаемого топлива и утилизации промышленных и медицинских отходов, стал настолько устойчивым в водной среде, что Управление по контролю за продуктами и лекарствами США считает, что около полудюжины видов рыб настолько загрязнены ртутью, что людям следует избегать их употребления. Исследователи уже много лет работают над созданием систем для удаления ртути из воды. Команда из Дрексельского университета, возможно, нашла именно тот материал, который позволяет эффективно улавливать неуловимую ртуть – даже в низких концентрациях – и очищать загрязненные водоемы.
Среди многих методов удаления ртути из воды адсорбция – процесс химического притягивания и удаления загрязняющих веществ – является наиболее перспективной технологией благодаря своей относительной простоте, эффективности и низкой стоимости, говорит Масуд Соруш, доктор технических наук, профессор инженерного колледжа Дрекселя, в лаборатории которого разрабатывается новая адсорбционная технология.
Группа исследователей Соруша из Дрекселя и Университета Темпл изучила возможность синтеза и использования модифицированного карбида титана MXene для удаления ртути. MXene – это семейство двумерных наноматериалов, которые были открыты в Дрекселе более десяти лет назад и продемонстрировали множество исключительных свойств. Команда недавно сообщила о своих результатах в журнале Journal of Hazardous Materials.
По словам Соруша, преимуществами карбида титана MXene для удаления ионов ртути являются его отрицательно заряженная поверхность, а также настраиваемость и универсальность химии поверхности, что делает MXene привлекательным для удаления ионов тяжелых металлов. Благодаря этим свойствам и слоистой структуре MXene, материалы на основе карбида титана MXene продемонстрировали превосходные характеристики при разделении газов, удалении солей из воды, уничтожении бактерий и диализе почек.
Команде Соруша необходимо было внести ключевые изменения в химическую структуру карбида титана MXene, чтобы еще больше улучшить материал для решения одной из самых сложных задач.
“Ртуть называется ртутью не просто так – она довольно неуловима, когда попадает в окружающую среду, будь то в результате сжигания ископаемого топлива, добычи полезных ископаемых или сжигания отходов. Она быстро меняет свою химическую форму, что повышает ее токсичность и делает чрезвычайно трудным ее удаление из водоемов, где она неизбежно накапливается. Поэтому, чтобы еще быстрее притягивать ионы ртути, нам нужно было модифицировать поверхность хлопьев карбида титана MXene”, — отмечают специалисты.
Между ионами ртути и поверхностью карбида титана MXene существует естественное притяжение, поскольку ионы металла, такие как ртуть, заряжены положительно, а поверхность хлопьев MXene заряжена отрицательно. Однако для того, чтобы сильнее вытянуть ионы ртути из воды, команде необходимо было усилить это притяжение. Для этого они обработали хлопья MXene хлоруксусной кислотой – процесс называется карбоксилированием, — что обеспечивает MXene высокоподвижными, сильными группами карбоновых кислот и увеличивает отрицательный заряд поверхности хлопьев MXene, улучшая способность хлопьев притягивать и удерживать ионы ртути.
В результате был получен новый сорбирующий материал – карбоксилированный карбид титана MXene, который, по словам исследователей, продемонстрировал более быстрое поглощение ионов ртути и большую емкость, чем все имеющиеся в продаже адсорбенты.
“Карбоксилированный карбид титана MXene оказался намного лучше, чем сорбент, используемый в настоящее время для удаления ионов ртути. В течение одной минуты он смог удалить 95 процентов ионов ртути из образца воды, загрязненного в концентрации 50 частей на миллион, что означает, что он может быть достаточно эффективным и действенным для использования в крупномасштабной очистке сточных вод”, — говорят ученые.
