Наночастицы ферритов для использования в качестве адсорбентов загрязнителей воды.

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 проекта 23-22-10025

НазваниеНаночастицы ферритов для использования в качестве адсорбентов загрязнителей воды.

Руководитель Иванова 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

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 слова Методы 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

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), том 119, вып. 2, с. 111 – 117 (год публикации - 2024)
10.1134/S0021364023603457

2. Иванова О.С., Эдельман И.С., Лин Чун-Ронг, Петров Д.А., Торопова Е.С., Сухачев А.Л. Наночастицы Fe0.55Co2.45O4: синтез, магнитные и адсорбционные свойства Новое в магнетизме и магнитных материалах. Сборник трудов XXV Международной конференции 1 – 5 июля 2024 г. – Москва., Новое в магнетизме и магнитных материалах. Сборник трудов XXV Международной конференции 1 – 5 июля 2024 г. – Москва – 2024 – 1000 с. стр. 1 (4-6) (год публикации - 2024)

3. Торопова Е.С. Влияние термообработки на структуру и свойства наночастиц Fe0.55Co2.45O4 Сборник тезисов, материалы Двадцать восьмой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-28, Новосибирск): материалы конференции, тезисы докладов: В 1 т.Т.1 – Новосибирск, издательство АСФ России, 2024., Двадцать восьмая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых учёных (ВНКСФ-28, Новосибирск): материалы конференции, тезисы докладов. стр.117-118. (год публикации - 2024)

4. Иванова О.С., Эдельман И.С., Светлицкий Е.С., Сердюк А.А., Торопова Е.С. Adsorption and Catalytic Properties of Nanoparticles Fe3O4-Ag in Relation to Various Types of Organic Dyes Mechanisms of Catalytic Reactions (MCR-XII). XII International Conference. June 17-21, 2024, Vladimir, Russia: Abstracts/ eds.: Prof. V.I. Bukhtiyarov, Prof. O.N. Martyanov, Prof. E.A. Kozlova, Prof. V.V. Kaichev, Prof. Y.V. Zubavichus, Dr. A.A. Gabrienko, Dr. I.E. Soshnikov − Novosibirsk: BIC, 2024., XII International Conference. June 17-21, 2024, Vladimir, Russia, Abstracts, PP-09, P.174-175 (год публикации - 2024)

5. Иванова О.С., Линь Ч-Р., Эдельман И.С., Светлицкий Е.С., Соколов А.Е., Жарков С.М., Сухачев А.Л., Воробьев С.А., Петров Д.А., Линь Е-С. Adsorption properties and catalytic activity of Fe3O4-Ag nanostructures Applied Surface Science, 665, 160236 (год публикации - 2024)
10.1016/j.apsusc.2024.160236

6. Иванова О.С., Эдельман И.С., Соколов А.Э., Светлицкий Е.С., Попова А.М. Ferrite nanoparticles FexCo3-xO4 are active catalysts for the organic dyes degradation Catalysis: from science to industry: Proceedings of VII International scientific schoolconference for young scientists “Catalysis: from science to industry” / Tomsk State University. − Tomsk: TSU Publishing House, 2024. – 122 p., Catalysis: from science to industry: Proceedings of VII International scientific school conference for young scientists “Catalysis: from science to industry” 122 p. P.89. (год публикации - 2024)

7. О.С. Иванова, И.С. Эдельман, С.М. Жарков, С.А. Воробьев, Т.А. Андрющенко, М.С. Молокеев, А.Л. Сухачев, Чун-Ронг Линь, Ин-Чжэнь Чен, Бо-Сян Хуан Impact of annealing temperature on the structure, magnetic properties, and organic dyes adsorption capacity of Fe0.5Co2.5O4 nanoparticles obtained by combustion Journal of Alloys and Compounds, 1011, 178421 (год публикации - 2025)
h10.1016/j.jallcom.2024.178421

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
- Синтезированы НЧ Co1−xMgxFe2O4 с x, равным 0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 и 1.0. Исследование адсорбционных свойств были проведены на двух модельных органических красителях: катионного - Метилен синий (МB) и анионного - Конго красный (СR) типов. Образец CoFe2O4 показал наибольшую величину и скорость поглощения катионного красителя MB. По мере увеличения х, изменялось зарядовое состояние поверхности и НЧ предпочитали поглощать анионный краситель CR. Анализ в рамках диффузионных моделей Бойда и Морриса–Вебера для разграничения внутри- и внешнедиффузионного лимитирования адсорбции показал, смешанно-диффузионный механизм кинетики. Изотермы адсорбции наиболее точно описываются моделью монослойной адсорбции Ленгмюра. - Образцы наночастиц FexCo3-xO4 с x=1, 0.8, 0.7, 0.65, 0.6 и 0.55 были синтезированы методом самовозгорания с использованием лимонной кислоты в качестве катализатора и последующим отжигом в различных режимах при температурах 400-800°С в течении 1, 12 и 24 часов. Положения и набор рефлексов XRD спектров идентичны для всех образцов и соответствуют структуре шпинели Co3O4 Fd-3m, в том числе и исходных НЧ. Температура (а не длительность) термообработки оказывает критическое влияние на размер нанокристаллов. Так, средний размер кристаллитов НЧ Fe0.5Co2.5O4 растет с повышением температуры отжига с ⁓5 нм в исходном образце до ⁓110 нм в образце, отожженном при 800 °C. Эти изменения размера объясняются эффективностью процесса созревания Оствальда. Они сопровождаются увеличением намагниченности наночастиц и появлением магнитного гистерезиса. Значения дзета-потенциала в широком диапазоне pH показали горизонтальный участок зависимости (pH изменяется от 6 до 11) в нейтральном и щелочном растворе для отожженных НЧ, свидетельствующий о наличии инертного материала на поверхности частиц. Для отожженных образцов значения потенциала лежат в области зарождающейся нестабильности от -5 до -30 мВ. Для исходного образца его значения находятся в области коагуляции, а зависимость имеет две изоэлектрические точки в кислом (pH=4,3) и щелочном (pH=8,3) диапазонах pH. Для серии НЧ FexCo3-xO4, выявлено предпочтительная адсорбция анионного красителя. Наибольшую емкость имели исходные НЧ. При дозе 1 g/L до 90 процентов красителя адсорбировалось NP в течение первых пяти минут, а 100 процентов адсорбции красителя достигается за 30 минут. Для дозы NP 0.5 g/L за 30 минут адсорбируется только около 80 процентов красителя. При этом катионный краситель MB практически не адсорбируется исходными НЧ, независимо от дозы. Отжиг НЧ существенно снижает адсорбционную емкость поглощения CR. Отжиг при 600 °C, когда намагниченность увеличивается по сравнению с исходным образцом, а селективное поглощение все еще достаточно велико, можно рассматривать как компромиссный вариант наиболее подходящий для практического использования частиц в процессах адсорбции анионных загрязнителей и удалении их из водной среды при помощи магнитного поля. Для FexCo3-xO4 образцов выявлена хорошая фотокаталическая активность в реакциях деградации красителя MB в присутствии щавелевой кислоты H2C2O4 под действием UV облучения. Данные по катализу на MB, дополняют возможности практического применения этой серии НЧ для очистки воды от катионных красителей. Полная деградация красителя MB при добавлении НЧ наблюдается уже после 40 минут облучения ультрафиолетом, краситель CR, при идентичном времени облучения изменил свою концентрацию в растворе всего лишь на 35%. Отметим, что время отжига НЧ не влияет на эффективность каталитической деградации выбранных красителей, а увеличение температуры отжига выше 600 С приводят к значительному уменьшению активных центров на поверхности и снижает каталитическую активность. - Морфология и магнитные свойства, а также адсорбционная емкость и каталитическая активность наночастиц Fe3O4-Ag, синтезированных сольвотермальным методом, были изучены в зависимости от продолжительности процесса термолиза (3, 6 и 8 ч). Измерения рентгеновской дифракции, просвечивающей электронной микроскопии показали, что морфология наночастиц сильно изменялась с увеличением продолжительности термолиза. При продолжительности 6 и 8 ч нанокристаллы Fe3O4 растут и собираются в пористые сферические глобулы с ядром Ag. Эти образцы демонстрируют высокое значение намагниченности и очень низкую коэрцитивную силу – параметры оптимальные для проведения многократной магнитной сепарации. Частицы показали преимущественную адсорбцию катионного красителя МB. Высокая каталитическая активность по отношению к четырем красителям: MB, метилоранжу (MO), CR и родамину C (RhC) в присутствии NaBH4 является отличительным свойством этих образцов. Константа скорости каталитической реакции составила 1,4 мин-1. Одновременное воздействие наночастиц и NaBH4 на красители CR и MO вызвало их необратимую 100% деградацию, тогда как в случае MB и RhC происходил переход в бесцветную лейкоформу. Ссылки на публикации в СМИ - https://ksc.krasn.ru/news/nanochastitsy_pomogut_v_ochistke_stochnykh_vod_ot_krasiteley/ Издание "Научная Россия" - https://scientificrussia.ru/articles/nanocasticy-pomogut-v-ocistke-stocnyh-vod-ot-krasitelej Издание "Наука в Сибири" - https://www.sbras.info/news/nanochasticy-pomogut-v-ochistke-stochnykh-vod-ot-krasiteley На сайте РАН - https://new.ras.ru/activities/news/nanochastitsy-pomogut-v-ochistke-stochnykh-vod-ot-krasiteley/ На сайте Десятилетия науки и технологий (НаукаРФ) - https://xn--80aa3ak5a.xn--p1ai/news/nanochastitsy-pomogut-ochistit-vodu-ot-zagryazneniy/

Публикации

Возможность практического использования результатов
Проведенные в ходе выполнения проекта работы создали научный задел по исследованию адсорбционной и каталитической способности магнитных наночастиц для очистки водных сред от органических красителей.