Образец нанокомпозита. Источник: Владимир Поляков
Ученые улучшили способность биоугля — природного пористого материала — поглощать из почвы свинец и медь. Для этого в структуру биоугля ввели металл-органические каркасные структуры с рекордными показателями пористости, эффективно связывающие тяжелые металлы. За счет увеличения площади поверхности и более активного взаимодействия с металлами полученный композит удалил до 99% меди и свинца из образцов загрязненной почвы. Улучшение состояния почв приведет к повышению их плодородия и увеличению урожайности сельскохозяйственных культур. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Environmental Science and Pollution Research.
В результате работы металлургических и химических предприятий, интенсивного сельского хозяйства, использования пестицидов и автомобильного транспорта в почву попадают тяжелые металлы, такие как свинец и медь. В высоких концентрациях они негативно влияют на плодородие почв, снижают урожайность сельскохозяйственных культур и способствуют накоплению токсичных соединений в растениях, что представляет угрозу для здоровья населения. Проблема загрязнения почв тяжелыми металлами особенно актуальна для промышленных регионов России, например Челябинской, Свердловской и Кемеровской областей, где исторически развита металлургия, а также южных аграрных районов, где интенсивно применяются агрохимикаты. В частности, Ростовская область, будучи одним из ключевых аграрных регионов страны, также имеет на своей территории ряд крупных предприятий, оказывающих негативное влияние на окружающую среду. Поэтому ученые ищут способы очистки почв от загрязняющих ее тяжелых металлов.
Экологически чистым поглотителем тяжелых металлов может служить биоуголь, который к тому же улучшает качество почвы и повышает ее плодородие. Этот материал, как губка, впитывает металлы благодаря пористой структуре. Однако площадь поверхности, которой он взаимодействует с загрязнителями, не очень велика, и из-за этого его поглотительная способность ограничена. В результате для обработки почвы приходится использовать большие количества биоугля. Улучшить свойства этого поглотителя можно, присоединив к его частицам вещества, активнее связывающие металлы, а также формирующие дополнительные поры и увеличивающие площадь поверхности.
Исследователи из Южного федерального университета (Ростов-на-Дону) создали нанокомпозит на основе биоугля и металл-органического каркаса. Металл-органические каркасы — это класс высокопористых координационных полимеров, состоящих из ионов или кластеров металлов, которые соединены между собой органическими молекулами. Соединения такой структуры имеют самые высокие сорбционные (впитывающие) характеристики среди всех пористых материалов. Они применяются в качестве катализаторов, а также для поглощения и разделения газов, в частности, улавливания углекислого газа. Размер пор, а также химические свойства металл-органических каркасов можно легко настроить, меняя компоненты в их составе, поэтому они очень удобны в качестве веществ, связывающих тяжелые металлы.
Для создания нанокомпозита авторы выбрали хорошо изученный железосодержащий металл-органический каркас. Его синтезировали в лаборатории, используя железный порошок и органическую кислоту. Биоуголь исследователи получили из соломы пшеницы — отхода, остающегося после сбора урожая. Компоненты будущего нанокомпозита смешали и выдержали 20 минут при 120°С.
Исследование структуры полученного материала показало, что металл-органический каркас в шесть раз увеличил площадь поверхности биоугля за счет дополнительных пор. Это говорит о том, что новый материал должен эффективнее «собирать» тяжелые металлы. Чтобы доказать это, ученые внесли нанокомпозит в образцы почвы, загрязненные заранее известными количествами свинца и меди. Для сравнения использовали биоуголь, в структуру которого не вводили металл-органический каркас.
Оказалось, что нанокомпозит удаляет до 99% тяжелых металлов из почвы даже при их высоком содержании в образцах, тогда как у биоугля при сильном загрязнении эффективность падает до 82%. Помимо большего количества пор, авторы определили два основных механизма, за счет которых нанокомпозит эффективнее удерживает тяжелые металлы. Во-первых, металлы образуют комплексы с кислородсодержащими группами в составе металл-органического каркаса. Во-вторых, между железосодержащими центрами в композите и загрязненной почвой происходит обмен катионами — положительно заряженными частицами металлов. Это обеспечивает надежную фиксацию загрязнителей в порах нанокомпозита.
«Разработанный материал можно использовать при восстановлении сильно загрязненных тяжелыми металлами почв возле крупных металлургических заводов, автодорог и химических предприятий. Сорбент позволит не только восстанавливать загрязненные почвы, улучшая их свойства, но и предотвращать дальнейшее загрязнение. Это повысит плодородие земель, что важно для сельского хозяйства и обеспечения продовольственной безопасности. Кроме того, уменьшение концентрации тяжелых металлов в почвах снизит риски развития заболеваний и отравлений при употреблении продуктов питания, выращенных в регионах, подверженных загрязнению. В дальнейшем мы планируем изучить эффекты долгосрочного применения нашего нанокомпозита. Также мы хотим повысить функциональность материала, а именно создать на его основе платформы для доставки в растения различных полезных биодобавок, например, гуминовой кислоты или ауксинов, чтобы повысить выживаемость растений в условиях засухи. Это расширит возможности сельского хозяйства в регионах с засушливым климатом», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Владимир Поляков, кандидат химических наук, инженер международной исследовательской лаборатории функциональных наноматериалов Южного федерального университета.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда
