Новые виды эффективных наноструктурных сорбентов на основе минеральных и синтетических носителей для создания технологий очистки водных сред Арктической зоны от тяжёлых металлов и микробиологических загрязнений.

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 25-23-00492

НазваниеНовые виды эффективных наноструктурных сорбентов на основе минеральных и синтетических носителей для создания технологий очистки водных сред Арктической зоны от тяжёлых металлов и микробиологических загрязнений.

Руководитель Журавков Сергей Петрович, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" , Томская обл

Конкурс №102 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-406 - Химическая термодинамика. Физическая химия поверхности и межфазных границ. Адсорбция

Ключевые слова нанопорошки металлов, их гидроксидов, оксидов, сульфидов, электроимпульсные разряды, катализ, композиционные материалы, сорбенты

Код ГРНТИ31.15.35

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения работ будут получены следующие научно-технические результаты: − Методики приготовления наноструктурных сорбционных материалов на основе минеральных и синтетических носителей, модифицированных оксидными фазами железа и алюминия, и их цинксодержащих активных компонентов, предназначенных для высокоэффективной очистки воды в условиях пониженных температур. − Лабораторный стенд для изготовления наноструктурных сорбционных материалов для очистки водных сред от химических и микробиологических загрязнений в условиях пониженных температур. − Лабораторная установка для синтеза наноразмерных цинксодержащих активных компонентов сорбционных материалов методом электроискрового диспергирования. − Лабораторные партии наноструктурных сорбционных материалов на основе минеральных и синтетических носителей, модифицированных оксидными фазами железа и алюминия, содержащие наноразмерных цинксодержащих активные компоненты и предназначенные для высокоэффективной очистки воды от химических и микробиологических загрязнений в условиях пониженных температур. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ОЖИДАЕМЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ. Разработанные криорезистентные сорбенты и водоочистное оборудование на их основе могут быть использованы для очистки промышленных сточных вод предприятий нефтегазодобывающей отрасли, нефтеперерабатывающих предприятий, предприятий машиностроения, химической промышленности, обогатительных комбинатов и любых других промышленных предприятий, имеющих жидкие отходы до нормативов сброса в водоемы рыбохозяйственного назначения. Разработанные технологии могут быть применены для подготовки питьевой воды из подземных и поверхностных источников. Разработанные криорезистентные сорбционные материалы могут быть использованы не только в Арктическом регионе и имеют высокий экспортный потенциал. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ проекта может быть осуществлено в ключевых высокотехнологичных отраслях экономики РФ – военно-промышленном комплексе (системы очистки производственных сточных вод до рыбохозяйственных нормативов; создание индивидуальных и коллективных систем очистки питьевой воды в боевых условиях в любом регионе мира, включая Арктику), аэрокосмической отрасли, точном и специальном машиностроении, двигателестроении для доочистки производственных сточных вод. Настоящий проект предусматривает развитие имеющегося научного задела до получения отдельных результатов, необходимых для создания новых типов востребованной рынком продукции. На основе разработанных материалов будут созданы фильтровальные системы для очистки питьевой воды индивидуального и коллективного использования для применения в любых условиях, включая чрезвычайные ситуации. «Отработанные» материалы могут быть использованы при создании каталитических добавок для переработки тяжёлых нефтяных остатков с целью повышения выхода топливных фракций. Таким образом, возможна организация безотходного замкнутого цикла очистки водных сред от широкого спектра загрязнений. Реализация проекта позволит снизить экологическую нагрузку на природную среду в соответствии со стратегией развития Арктической зоны РФ и обеспечения национальной безопасности, путём применения новых технологий очистки производственных сточных вод.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В течение первого года реализации проекта был выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований, направленных на создание и всестороннее изучение новых криорезистентных адсорбционных материалов для очистки водных сред в условиях низких температур (3–23°C). Работы велись в соответствии с утверждённым планом и позволили достичь следующих ключевых результатов. 1. Исследование сорбционных процессов при различных температурах Было проведено фундаментальное изучение механизмов адсорбции на модифицированных и интактных (немодифицированных) поверхностях в модельных водных растворах. Эксперименты ставились в широком температурном диапазоне: от +23°C (комнатная температура) до околонулевых значений (+3°C, условия переохлаждённой воды). Установлено, что с понижением температуры кинетика сорбционных процессов для традиционных материалов резко замедляется вследствие увеличения вязкости воды, снижения коэффициента диффузии загрязняющих веществ и уменьшения их термодинамической активности. Это подтвердило актуальность разработки специализированных «холодоустойчивых» сорбентов. Были получены количественные данные по эффективности извлечения поллютантов в зависимости от температуры, что стало основой для дальнейшего проектирования материалов. 2. Подбор и оптимизация пористого носителя В результате скрининга большого ряда коммерчески доступных и синтезированных пористых материалов (цеолиты, мезопористые силикаты, активированные угли различного происхождения, вспученные перлиты, диатомиты) был выбран базовый носитель — синтетический цеолит NaX. Данный материал продемонстрировал оптимальный баланс следующих характеристик: высокая удельная поверхность и удельный объем пор, приемлимые характеристики по твердости и высокие сорбционные свойства в процессе удаления ионов тяжелых металлов из водных сред. 3. Разработка методик модификации пористых носителей Были разработаны и апробированы взаимодополняющие методики модификации поверхности для активизации сорбционных процессов при низких температурах. 4. Изучение адсорбционной активности в статических условиях Все полученные материалы прошли масштабное тестирование сорбционной способности. · Статические условия (периодический режим): Изучены сорбционные характеристики при температурах +3,+10,+23°C, с варьированием времени контакта от 1 минут до 150 минут. Определены времена достижения сорбционного равновесия для каждого типа поллютанта. · Спектр извлекаемых загрязнений: Экспериментально подтверждена высокая эффективность разработанных криорезистентных сорбентов в отношении: · Ионов тяжёлых металлов. · Солей жёсткости: Ca²⁺, Mg²⁺. ·Микробиологических загрязнений: Установлена способность материалов с положительно заряженной поверхностью к электростатическому улавливанию бактериальных клеток. 5. Комплексное определение физико-химических свойств модифицированных адсорбентов Для глубокого понимания структуры и свойств полученных материалов проведён всесторонний физико-химический анализ: · Текстурные характеристики: Методом тепловой десорбции азота (BET) подтверждено, что успешная модификация сохраняет высокую удельную поверхность и объём пор, при этом отмечается некоторое сужение устьев пор, что свидетельствует о прививке функциональных групп. · Обработка сорбционных данных: По результатам экспериментов построены графики зависимости степени очистки от времени контакта и температуры среды, наглядно демонстрирующие криорезистентность разработанных материалов: их эффективность при +3–23°C снижается незначительно (на 10-15%) по сравнению с работой при 20°C, в то время как для стандартных сорбентов падение составляет 40-60%.

Публикации

1. Илиевски А.П., Журавков С.П. СОРБЦИЯ ЦЕЗИЯ ИЗ АЗОТНОКИСЛЫХ РАСТВОРОВ WWW.MESOL.RU, Сборник тезисов XI Российской конференции "РАДИОХИМИЯ-2025", г. Красноярск. 13-17 октября 2025 года. - стр. 80. (год публикации - 2025)

2. Журавков С.П., Усольцева И.О., Передерин Ю.В., Мартемьянов Д.В. Сорбенты для очистки вод Арктики: существующие методы Издательство ТПУ, г. Томск «Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов» (год публикации - 2026)

3. Илиевски А.П., Журавков С.П. СИНТЕЗ СОРБЕНТА ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ЦЕЗИЯ ИЗ АЗОТНОКИСЛЫХ РАСТВОРОВ Издательство ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», г. Уфа, 2025 год, Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции «Фундаментальные аспекты инновационных технологий и материалов», г. Уфа. 19-21 ноября 2025 г. стр. 118-120. (год публикации - 2025)

4. Симакин Д.П., Журавков С.П. Синтез сорбента для извлечения лития из водных растворов Издательство ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», г.Уфа, 2025 год, Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции «Фундаментальные аспекты инновационных технологий и материалов», г. Уфа. 19-21 ноября 2025 г. стр. 121-123. (год публикации - 2025)