Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В ходе проделанной работы были изучены материалы на основе углеродных нанонтрубок (УНТ) и оксида графена на примере сорбции ионов Pb2+ из модельных водных растворов. Была определена сорбционная емкость этих материалов, результаты экспериментов были сопоставлены с эмпирическими уравнениями кинетики (псевдопервого, псевдовторого порядков, Еловича), диффузии(внешне- и внутричастичной), а также с моделями изотерм сорбции (Ленгмюра, Фрейндлиха). 1. Было проведено комплексное сравнительное исследование сорбционных свойств углеродных нанотрубок (УНТ) марки «Таунит-М» в исходном, немодифицированном, состоянии (НМУНТ) и после модификации органическим лигандом – фенантролином (МУНТ) – по отношению к ионам свинца (Pb²⁺). Целью было оценить влияние модификации на кинетику, емкость и механизм сорбции. Эксперименты по кинетике показали, что процесс сорбции протекает быстро: равновесие достигается уже через 10 минут для немодифицированных и через 5 минут для модифицированных нанотрубок. Это сокращение времени можно связать с появлением дополнительных сорбционных центров после введения лиганда. Однако, вопреки ожиданиям, максимальная экспериментальная сорбционная емкость оказалась выше для исходного материала (161 мг/г против 104 мг/г у модифицированного). Кинетика для обоих образцов наилучшим образом описывается моделью псевдовторого порядка, что указывает на химическую природу лимитирующей стадии процесса. Дополнительный анализ с помощью диффузионных моделей (внешне- и внутричастичной) позволил установить, что процесс, вероятно, контролируется смешанной диффузией, то есть на его скорость влияют как перенос ионов к поверхности частицы, так и диффузия внутри ее пор. Исследование равновесных характеристик (изотерм сорбции) подтвердило тенденцию: теоретическая монослойная емкость, рассчитанная по модели Ленгмюра, также была выше для немодифицированного образца (312 мг/г против 268 мг/г). Экспериментальные данные хорошо согласуются как с моделью Ленгмюра, так и с моделью Фрейндлиха. Низкие значения константы сродства в уравнении Ленгмюра и параметр неоднородности поверхности, отличный от единицы в модели Фрейндлиха, свидетельствуют о преобладании физической сорбции на энергетически неоднородной поверхности. Морфологические исследования методом СЭМ выявили, что модификация существенно изменяет структуру материала на микроуровне: происходит разрушение крупных агломератов и формирование на поверхности частиц микрокристаллов фенантролина размером около 1 мкм. При этом на наноуровне структура отдельных трубок значительных изменений не претерпевает. Наблюдение образований лиганда как на дефектах, так и на гладких участках поверхности позволяет предположить, что в процессе модификации могут участвовать как физические, так и химические взаимодействия. 2. Для всех образцов оксида графена экспериментальные кинетические данные сорбции были аппроксимированы с помощью уравнения псевдовторого порядка. Анализ моделей внутренней и внешней диффузии показал, что сорбция ионов Pb2+ предположительно происходит в режиме смешанной диффузии. Было установлено, что с увеличением степени окисления оксида графена (количества окислителя KMnO4, добавленного в процессе синтеза) максимальная сорбционная способность образца увеличивается, а время достижения равновесия сокращается (с 30 до 5 мин); в частности, 105 мг/г для Syn-UO GO-2.0, 108 мг/г для Syn-UO-GO-1.0, 130 мг/г для Nat-OO-GO-4.5 и 138 мг/г для Syn-OO GO-4.5, что превышает соответствующие значения, полученные другими исследователями для аналогичных материалов. Результаты исследований адсорбции подтверждаются морфологическим анализом и анализом элементного состава их поверхностей с помощью методов сканирующей электронной микроскопии и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии. На поверхности материалов, где происходит сорбция ионов Pb2+, были обнаружены пики и впадины с характерной «морщинистой» фрактальной геометрией графена. Размер этих пиков и впадин зависит от степени окисления поверхности оксида графена. Таким образом, можно сделать вывод, что структуру и сорбционные свойства оксида графена можно регулировать, изменяя степень окисления, а также источник графита (синтетический или природный), что будет способствовать новым разработкам в области применения материалов на основе оксида графена для сорбционного удаления тяжёлых металлов из загрязнённой водной среды.