КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 23-22-10025
НазваниеНаночастицы ферритов для использования в качестве адсорбентов загрязнителей воды.
РуководительИванова Оксана Станиславовна, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук", Красноярский край
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2023 г. - 2024 г. |
Конкурс№76 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс).
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-204 - Нано- и микроструктуры
Ключевые словаМетоды очистки воды, магнитная сепарация, магнитные наночастицы, ферриты, функционализация наночастиц, адсорбция загрязнителей воды, изотерма адсорбции, кинетика адсорбции
Код ГРНТИ29.19.22
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Способность воды растворять больше веществ, чем любая другая жидкость на Земле, делает загрязнение воды легким, а водные ресурсы, уязвимыми к загрязнению. Потребность в очистке сточных вод, как от бытовой деятельности, так и от отходов промышленности и сельского хозяйства выдвигает на первый план задачу по поиску новых адсорбентов, способных поглощать увеличивающиеся количества и типы загрязнителей. Органические красители и ионы тяжелых металлов, составляют группу загрязняющих веществ, к которым обычные очистные сооружения, как правило, имеют низкую эффективность удаления, и они сильно влияют на водную экосистему. Исследования по использованию магнитных наноматериалов в качестве адсорбентов расширяются во всем мире из-за легкости магнитной сепарации и возможности их повторного использования. Так, магнитные наночастицы ферритов являются ведущими кандидатами для удаления из водных растворов тяжелых металлов [1-3], фармацевтических препаратов [4-6], различных красителей [7-10].
В проекте предлагается исследование адсорбционной способности магнитных наночастиц ферритов, различного химического, фазового состава и морфологии, покрытых различными функциональными оболочками, по отношению к различным типам органических красителей, а именно, катионных – метиленовый синий (MB), родамин С (RhC), и анионных – Конго красный (CR), метиловый оранжевый (MO), и эозин Y (EoY). Будут исследованы наночастицы оксидов железа и кобальт содержащие ферриты: Co3-xFexO4, Co1-xFeхMn2O4, Co1-xMgxFe2O4, с различным содержанием х. Наночастицы были получены в рамках договоров о сотрудничестве в Томском политехническом университете, Санкт-Петербургском университете, и в университетах городов Пингтун (Тайвань) и Амити (Индия). Поскольку способ синтеза играет определяющею роль в свойствах поверхности наночастиц, предполагается различная адсорбционная емкость к разным типам загрязнителей не только у магнитных частиц различного фазового состава и с различными оболочками, но и у одинаковых по составу частиц, полученных различными способами. Все образцы имеются в распоряжении коллектива.
Будет проведена структурная характеризация частиц, определены морфологические особенности, исследованы магнитные, а в некоторых случаях магнито-оптические свойства, и изучены временные и концентрационные зависимости адсорбционных свойств наночастиц для всех, перечисленных выше загрязнителей. Будут опробованы различные способы регенерации адсорбционных свойств. Сочетание используемых участниками проекта теоретических подходов и экспериментальных методик создаст задел и значительно расширит опыт использования наночастиц в качестве адсорбентов органических красителей и позволит установить обратную связь с технологами для изменений условий синтеза и функционализации наночастиц для создания избирательной адсорбции к определенным загрязнителям.
Использование наночастиц, для адсорбции обладает рядом важных преимуществ по сравнению с классическими сорбентами, а именно легкость извлечения из среды, способность модифицировать поверхность, возможности многократного использования, улучшение степени очистки. При этом для перехода к практическому их использованию необходимы расширение, как фундаментального понимания происходящих процессов, так и обобщения большого количества экспериментальных данных.
[1] Wana Sh., et al. // Chemical Engineering Journal. 2021. V. 405. Art. No. 126576.
[2] Shawon Z.B.Z., et al. // Carbohydr. Polym. 2013. V.91. P. 322.
[3] Bharti M.K., et al. // Mini Review. 2020. V.33. P.3651.
[4] Saiz J., Bringas E., Ortiz I. // J. Chem. Technol. Biot. 2014. V.89. P. 909.
[5] Bao X. et al. // Journal of Environmental Sciences 2014. V.26. P.962.
[6] Chen L, Liu Y, He X, Zhang Y. // Chinese journal of phromatography. 2015. V.33. P.481.
[7] Xiang H. et al. // Nanomaterials 2021. V.11. P.330.
[8] Xu P. et al. // Sci. Total Environ. 2012. V.424. P.1.
[9] Xianjie Feng et al. // J. Environ. Sci. 2023. V.124. P. 350.
[10] Ghorbani F., Kamari S. // Environ. Technol. Innov. 2019. V.14. Art. No. 100333.
Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будет изучена адсорбция различных загрязнителей воды наночастицами различных ферритов в зависимости от состава, морфологии, магнитных свойств; установлены корреляции в цепочке технологические параметры синтеза – структура и морфология – физические свойства – адсорбционная емкость; выделены типы частиц с оптимальными свойствами для очистки воды от загрязнителей. Теоретическая подгонка экспериментальных результатов к известным моделям позволит определить механизмы протекания адсорбции в каждом случае, и получить параметры, характеризующие процесс. Будут также изучены возможности регенерации адсорбционных свойств наночастиц. Таким образом, будет сформирован научный задел для развития новых промышленных и бытовых стоков воды, чрезвычайно важных для улучшения экологии края.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Получены данные о структуре, морфологии и магнитных характеристиках НЧ магнетит-серебро со структурой ядро-оболочка, ядро магнетита, декорированное серебром, синтезированных различными методами: пиролизом (FCA), термическим разложением (FOC) и сольво-термическим (AF). Основной кристаллической фазой всех НЧ был магнетит. Внутри серий образцы различались либо относительным содержанием в них серебра, либо параметрами синтеза, в серии FCA присутствовал и углерод (серия FCA – Fe3O4@C@Ag, серия FOC - Fe3O4 @Ag и серия AF - Ag@Fe3O4). Получены корреляции между характеристиками НЧ в каждой серии и особенностями технологических условий синтеза.
Получены данные о кинетике адсорбционной емкости и изотермы адсорбции НЧ магнетит-серебро по отношению к органическими красителям: катионным – метиленовый синий (MB), родамин С (RhC), и анионным – Конго красный (CR) и метиловый оранжевый (MO). Установлены корреляций в цепочке: условия синтеза – структура и морфология частиц – характеристики адсорбции. Для всех серий образцов выявлен различный тип поглощения катионного и анионного красителей. Для образцов серии FCA было выявлено, что увеличение отношения Ag / Fe до 0.25 при синтезе частиц купирует адсорбционную емкость данных частиц поглощать органические красители, так адсорбция катионного красителя уменьшилась вдвое по сравнению с другими образцами этой серии, а адсорбция анионного красителя не происходит. Для образцов серии FOC было выявлено, что увеличение температуры синтеза приводит к формированию более подходящих для адсорбции свойств поверхности. В образцах серии AF - Ag@Fe3O4, увеличение времени выдержки при высокой температуре понижает адсорбционную емкость для всех видов красителей.
Общим для всех серий НЧ является предпочтение поглощать катионные красители, что говорит о превалирующей отрицательности поверхности, сформировавшейся в процессе синтеза. Описание экспериментальных данных известными теоретическими моделями адсорбции показали, что временные зависимости адсорбции более близко описываются кинетической моделью псевдо-первого прядка, а концентрационные зависимости близки к модели Ленгмюра. Процесс адсорбции представляет собой мономолекулярную адсорбцию, когда на поверхности НЧ может образоваться только один адсорбционный слой, и силами взаимодействия адсорбированных молекул между собой можно пренебречь.
Выделена серия образцов наиболее, перспективная для адсорбции катионных органических красителей (серия FS), в которой равновесные значения адсорбционной емкости достигаются, практически, мгновенно. Для этой серии образцов выявлена высокая каталитическая активность в присутствии борогидрида NaBH4 для деградации ряда красителей: Конго красный, Метиленовый синий, Метиловый оранжевый, Родомин С. Для CR, Родомина C и метиленового оранжевого полная деградация красителя в присутствии НЧ происходит быстрее чем за 10 мин. В этом ряду выделяется метиленовый синий, в котором полной деградации так и не происходит, хотя присутствие НЧ и увеличивает и скорость и величину деградации красителя.
Получены данные о структуре, морфологии и магнитных характеристиках наночастиц магнетита, разбавленного ионами Со и Mg, представляющего собой ферриты с общей формулой Co1-xMgxFe2O4 с x, равным 0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 и 1.0, полученные цитратным методом с использованием в качестве прекурсора лимонной кислоты. На основании обработки данных эффекта Мессбауэра, были записаны кристаллохимические формулы образцов, распределение катионов по кристаллическим позициям. В использованной в настоящей работе цитратной технологии синтез проводился при 700 °С в течение 3 часов, что способствовало локализации всех ионов Co в октаэдрических позициях. Ионы Fe3+ распределены между A и B позициями почти поровну с незначительным превышением количества этих ионов в B позициях. Таким образом, использованная технология синтеза обеспечивает формирование полностью обращенной шпинели Co1-xMgxFe2O4 при любых концентрациях Co и Mg. Рассчитаны значения константы эффективной анизотропии Keff; для образцов с кобальтом они монотонно уменьшаются от 5.27*10^6 до 1.29*10^6 эрг/см3, что практически, на 2 порядка величины больше Keff (4*10^4 эрг/см3) образца, не содержащего ионов кобальта. Образец CoFe2O4 показал высокую скорость и величину поглощения катионного красителя (в 2.5 раз больше чем анионного). По мере увеличения содержания ионов Mg адсорбционная емкость по отношению к анионному красителю увеличивается, показывая изменение доминирующего механизма адсорбции от электростатического до диполь-дипольного взаимодействия между активными центрами (ароматические кольца) красителей и центрами поверхности адсорбента, образовавшимися при синтезе НЧ. Кинетические кривые адсорбции хорошо описываются моделью псевдо-второго порядка, а изотерма моделью моно-слойной адсорбции Ленгмюра.
Публикации
1. Иванова О.С., Эдельман И.С., Овчинников С.Г., Thakur A., Thakur P., Сухачёв А.Л., Князев Ю.В., Иванцов Р.Д., Молокеев М.С. Влияние концентрации кобальта на магнитные свойства нанокристаллов семейства Co1-xMgxFe2O4 Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters (JETP Letters), - (год публикации - 2024)