Ученые Томского политехнического университета предложили способ создания сорбента для удаления из воды инсектицида имидаклоприда. Сорбент относится к классу перспективных материалов — металлорганических каркасов. Химики ТПУ вырастили такой каркас прямо на полиэтилентерефталате (ПЭТ), из которого делают обычные пластиковые бутылки. Метод достаточно прост и позволяет превращать использованный пластик в полезный продукт. Результаты исследования опубликованы в журнале Applied Materials Today (IF: 8,352; Q1).
Металлорганические каркасы — это вещества с трехмерной структурой, в ней кластеры или ионы металла соединены между собой «мостиками» из органических молекул. Получается пористое вещество со свойствами и металлов, и органических соединений.
«За счет своей пористой структуры и ряда других свойств металлоорганические каркасы перспективны в качестве сорбентов. В частности, нас заинтересовала проблема сорбции инсектицидов, активно использующихся в современном сельском хозяйстве и накапливающихся в почве и воде.
Мы предложили новый метод получения каркаса под названием UiO-66 с ионами циркония. Он интересен в первую очередь исходным материалом», — говорит научный руководитель работы, доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Павел Постников.
Ученые экспериментировали на имидаклоприде. Это один из самых распространенных инсектицидов, который используют в сельском хозяйстве в том числе для борьбы с колорадским жуком.
«Имидаклоприд накапливается в естественных водоемах, куда попадает из почвы. По данным канадских исследователей, имидаклоприд был найден в воде по всему миру в концентрациях от 0,001 до 320 микрограммов на литр, — поясняет один из авторов статьи, младший научный сотрудник Исследовательский школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Олег Семенов. — Обычно UiO-66 получают при высоких температурах и давлении с использованием коммерческой терефталевой кислоты. Мы же использовали ПЭТ, он состоит из этиленгликоля с терефталевой кислотой. Вот эта кислота — строительный материл для органических мостиков в каркасе, она уже есть в материале бутылки».
Для получения каркаса химики разрезали пластик на маленькие квадратики и подвергли их частичному разрушению в кислотном растворе. Затем в раствор добавили соли циркония.
«Из ПЭТ частично высвобождается терефталевая кислота. На поверхности пластиковых пластинок образовываются маленькие "якорьки" из нее, а часть кислоты оказывается в растворе. Ионы циркония прикрепляются к якорькам, а дальше происходит процесс самосборки, свойственный металлоорганическим каркасам. И на поверхности пластиковых пластинок образуется каркас. Этот каркас чувствителен к имидаклоприду и за счет своих пор и физико-химических свойств притягивает молекулы инсектецида, удаляя их из воды», — говорит ученый.
«Во время экспериментов мы пропускали через сорбент раствор с инсектицидом. На эффективную очистку 1 литра воды потребовалось 15 граммов сорбента, это очень хороший показатель. При этом использовать сорбент можно несколько раз, в экспериментах мы доходили до пяти циклов. Но мы предполагаем, что сорбент не будет терять своих свойств намного больше», — говорит ученый.
В перспективе на практике такой сорбент может использоваться в фильтрационных системах, например, на сельскохозяйственных предприятиях.
«У нашего сорбента есть еще одно преимущество. Обычно металлоорганические каркасы порошкообразные. Они сами по себе забивают фильтры, и надо продумывать системы фильтрации с учетом этой особенности. Частицы нашего сорбента крупнее, и они не забивают фильтр.
Также за счет более крупных частиц пропускная способность сорбента выше, жидкость проще проходит сквозь него. По нашим расчетам, для пропускания воды в нашем случае потребуется давление в сто раз меньше по сравнению с порошком. В конечном итоге это важно для разработки технологии и включения такого сорбента в реальный технологический процесс», — добавляет Олег Семенов.
Сейчас ученые проводят эксперименты уже с другими металлорганическими каркасами, получаемыми на ПЭТ.
Работа поддержана грантом Российского фонда фундаментальных исследований.