Дата публикации: 06.05.2022
Мырзахметов Менлибай Мырзахметович
доктор технических наук, профессор, Казахский национальный исследовательский университет им. К.И. Сатпаева, г. Алматы, Казахстан
Даулетбаков Даниил Айдарович
магистрант кафедры “Инженерные системы и сети”, Казахский национальный исследовательский университет им. К.И. Сатпаева, г. Алматы, Казахстан
Аннотация. В данной статье будет рассказано о фуллеренах, фуллереновых соединениях. Особое внимание будет уделено описанию их использования в водоочистных процессах, их свойствах и их влиянию на организм человека при внедрении в существующие системы водоочистных сооружений. Будет описан сравнительный анализ эффективности существующих сорбентов и предложенным новым.
Ключевые слова: фуллерен, водоподготовка, активированный уголь, сорбция, сорбент, цитотокичность.
Введение
На сегодняшний день существуют много методов водоподготовки (фильтрация, сорбция, отстаивание и т.п,) и у каждого типо есть как свои преимущества, так и недостатки.
Стандартная схема очистки природной воды включает в себя: очистку от твердых, взвешенных веществ, биологических организмов, растворенных в воде вредных и токсичных веществ. В зависимости от использования воды, критерии к воде прописаны в санитарных нормах и правилах в разных странах. Но не смотря на направления использования воды, одним их эффективных, в качестве метода очистки воды, является сорбционный метод.
Сорбционный метод – метод, заключается в том, что используют специальные вещества, сорбенты, которые благодаря своим свойствам могут впитывать в себя вещества, растворенные в воде, и задерживать в себе. Самым распространенным сорбентов является активированный уголь. Благодаря своим свойствам и экономически низким расходам он зарекомендовал себя как самым лучшим сорбционным материалом. Но возможно ли найти еще лучше?
Фуллерены
Еще в 2000-х ученые в разных уголках мира изучали новые методы и открывали новые сорбционные вещества для увеличения эффективности и уменьшения экономических затрат на процесс очистки воды для хозяйственно-бытовых, промышленных и прочих нужд.
Одним из относительно новых открытых веществ для водоподготовки стали рассматривать фуллерены. Фуллерен – это третий аллотроп углерода, имеющий структуру, подобную графену, но содержит пятиугольные и шестиугольные кольца, которые получаются в виде трехразмерных структурх, наподобие сфер или в виде односторонних углеродных нанотрубок или многостенных углеродных трубок. Фуллерены сферической формы, обычно называемые бакиболлами, имеют наноразмерную клеточную структуру и состоят из комбинаций пятиугольников (С50) и шестиугольников С60 [1]. Углеродные нанотрубки (УНТ) состоят из листов ковалентно связанных атомов углерода в гексагональных массивах, которые бесшовно свернуты в полый цилиндр, по крайней мере с одной стороны закрытый полусферой в виде бакибола [2]. УНТ имеют чрезвычайно высокое соотношение сторон с диаметром от 1 до 200 нм и длиной от 10 до 100 микрометров. УНТ делятся на два основных вида; одностенная нанотрубка и многостенные нанотрубки. Фуллерены рассматриваются для широкого спектра применений из-за их исключительных физических, химических и электрооптических свойств, и ожидается, что спрос и производство фуллеренов будут быстро расти в течение следующего десятилетия.
Однако возникли опасения в связи с некоторыми открытиями о том, что фуллерены могут взаимодействовать с живыми организмами и вызывать токсические эффекты, уникальные для этого класса материалов. Например, односторонние углеродные нанотрубки показали более высокую легочную токсичность, чем кварц, хорошо известные благодаря своим промышленным опасностям в использовании и С60 показали цитотоксичность, подавляющую рост клеток. Благодаря некоторым дополнительным исследования были найдено, что фуллерены были обнаружены в твердых частицах, выбрасываемых угольными электростанциями, обычными источниками сжигания топливного газа и даже в природе, хотя спорадически в небольших количествах.[3]
Практическое применение
Несмотря на возможные токсикологические и экологические эффекты фуллеренов, были проведены ограниченные исследования использования фуллеренов в водной среде, в основном из-за их чрезвычайно гидрофобной природы.
Как раз так из-за их высокой гидрофобности и большого молекулярного размера данные углеродные нанотрубки не могут диспергировать в воде без каких-либо модификаций их структуры или при помощи других химических соединений. Были предложены некоторые подходы к получению иных устойчивых соединений на основе исходных углеродных нанотрубок, которые смогут находится в воде.
Во-первых, углеродные нанотрубки могут быть химически модифицированы для включения гидрофильных функциональных групп посредством реакции дериватизации. Индуцированные таким образом функциональные группы могут значительно повысить стабильность углеродных нанотрубок в водной фазе.
Во-вторых, углеродные нанотрубки могут быть стабилизированы в воде за счет нековалентного поверхностного покрытия поверхностно-активными веществами и полимерами [4-9], которые могут эффективно экранировать гидрофобную поверхность УНТ, обеспечивая термодинамически более благоприятную поверхность в воде, а также стерические или электростатические отталкивания, которые предотвращают агрегация УНТ.
В одном исследовании было предложено использовать активированный уголь березового дерева, модифицированного фуллеренами. Данный сорбент был экспериментально доказан, как эффективная замена существующему исходному активированному углю. Эффект от использования данного модифицированного материала был выше 30% чем от использования не модифицированного угля.
Заключение
После проведенных изыскательных работ, было выявлено, что фуллерены могут быть использованы в водоподготовительных процессах. Фуллерены, благодаря своим структурным свойствам, могут быть использованы в широком спектре. Так как в Республике Казахстан водных ресурсов относительно мало, фуллерены можно будет использовать для очистки сточных вод, чтобы уменьшить потребление воды их существующих водных объектов.
Литература:
-
Kroto, H. W.; Heath, J. R.; Obrien, S. C.; Curl, R. F.; Smalley, R. E., C-60- Buckminsterfullerene. Nature 1985, 318, (6042), 162-163.
-
Iijima, S., Helical Microtubules of Graphitic Carbon. Nature 1991, 354, (6348), 56-58.
-
Colvin, V. L., The potential environmental impact of engineered nanomaterials Nature Biotechnology 2004, 22, (6), 760-760.
-
Islam, M. F.; Rojas, E.; Bergey, D. M.; Johnson, A. T.; Yodh, A. G., High weight fraction surfactant solubilization of single-wall carbon nanotubes in water. Nano Letters 2003, 3, (2), 269-273.
-
Matarredona, O.; Rhoads, H.; Li, Z. R.; Harwell, J. H.; Balzano, L.; Resasco, D. E., Dispersion of single-walled carbon nanotubes in aqueous solutions of the anionic surfactant NaDDBS. Journal of Physical Chemistry B 2003, 107, (48), 13357- 13367.
-
Chen, Q.; Saltiel, C.; Manickavasagam, S.; Schadler, L. S.; Siegel, R. W.; Yang, H. C., Aggregation behavior of single-walled carbon nanotubes in dilute aqueous suspension. Journal of Colloid and Interface Science 2004, 280, (1), 91-97.
-
Wang, H.; Zhou, W.; Ho, D. L.; Winey, K. I.; Fischer, J. E.; Glinka, C. J.; Hobbie,
E. K., Dispersing single-walled carbon nanotubes with surfactants: A small angle neutron scattering study. Nano Letters 2004, 4, (9), 1789-1793.
-
O'Connell, M. J.; Boul, P.; Ericson, L. M.; Huffman, C.; Wang, Y. H.; Haroz, E.; Kuper, C.; Tour, J.; Ausman, K. D.; Smalley, R. E., Reversible water- solubilization of single-walled carbon nanotubes by polymer wrapping. Chemical Physics Letters 2001, 342, (3-4), 265-271.
-
Carrillo, A.; Swartz, J. A.; Gamba, J. M.; Kane, R. S.; Chakrapani, N.; Wei, B. Q.; Ajayan, P. M., Noncovalent functionalization of graphite and carbon nanotub Islam, M. F.; Rojas, E.; Bergey, D. M.; Johnson, A. T.; Yodh, A. G., High weight fraction surfactant solubilization of single-wall carbon nanotubes in water. Nano Letters 2003, 3, (2), 269-273.