Ученые предложили способ, позволяющий превратить синтетический аналог природного минерала гидроксиапатита в катализатор для очистки нефти, почвы и воды от загрязняющих веществ. Для этого авторы проекта в горячем растворе и при высоком давлении ввели в структуру минерала остатки молибденовой кислоты. Получившийся материал стал способен вступать в химические реакции, но при этом сохранил большое количество пор, благодаря которым может удерживать загрязнители.
Основа для зеленой химии
Исследователи из Института металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова РАН с коллегами предложили новый способ очистки воды, нефти и почвы при высоких температурах. Для этого они разработали технологию создания пористых нанопорошков, которые выступают в роли катализатора, то есть ускорителя химических реакций. В их основе — природный минерал гидроксиопатит (соединение кальция, фосфора, кислорода и водорода), способный образовывать пористую структуру, благодаря которой его удобно использовать в качестве поглотителя загрязняющих веществ и в составе экологически чистых катализаторов для очистки нефти. Однако сам по себе гидроксиапатит практически не способен участвовать в химических превращениях, поэтому ученые попытались модифицировать его и сделать активным.
Исследования показали, что гидроксиапатит становится эффективным катализатором, если добавить в него молибдат-ионы — остатки молибденовой кислоты (токсичный бесцветный реагент в виде кристаллов), которые активно обмениваются электронами с другими веществами. Авторы научной работы получили синтетический аналог гидроксиапатита из солей-«предшественников», выдерживали его при температурах от 140 °С до 180 °С в течение одного-трех часов и добавляли к нему разное количество солей молибдена, чтобы изучить, как концентрация ионов влияет на свойства.
— Предложенный подход поможет упростить получение материалов, перспективных для очистки нефти и используемых в качестве катализаторов для иных процессов, например расщепления загрязнителей почвы и воды. В дальнейшем мы планируем исследовать каталитическую активность таких материалов для разных процессов «зеленой химии», например, для окисления бензилового спирта и глицерина при мягких условиях, — рассказала «Известиям» руководитель проекта кандидат технических наук, старший научный сотрудник ИМЕТ РАН Маргарита Гольдберг.
Оптимальными оказались условия, когда гидроксиапатит обрабатывали при 140 °С с добавлением к нему 1,5% солей по отношению к общему количеству вещества. В этом случае структура материала получалась однородной и с максимальным количеством пор величиной в сотни тысяч раз меньше миллиметра.
Предсказуемая текстура
Кроме того, авторы на основе полученных результатов обучили искусственную нейронную сеть прогнозировать текстуру еще не созданных на практике материалов на основе гидроксиапатита. Такой алгоритм можно будет использовать на производствах, чтобы подбирать условия синтеза для получения материала нужной пористости.
В последнее десятилетие значительное внимание ученых привлечено к мезопористым материалам на основе гидроксиапатита, рассказала «Известиям» доцент института экологии РУДН имени Патриса Лумумбы Татьяна Ледащева. Такие материалы могут быть эффективны в экологических технологиях, в первую очередь для адсорбции загрязняющих веществ, а также в биомедицине.
— Интересно, что ионы молибдена могут усиливать каталитические сорбционные свойства материалов. Поэтому исследование российских ученых может иметь практическое значение — для применения для очистки и реабилитации территорий. Надо отметить, что исследование любопытное, но не уникальное, его применение зависит от возможности внедрения технологии в промышленных масштабах, — сказала специалист.
Гидроксиопатит — минерал, который широко представлен на Кольском полуострове, рассказал координатор программы экологизации промышленности Центра охраны дикой природы Игорь Шкрадюк. Также он в большом количестве присутствует в человеческих костях и зубах.
— То есть если у человека раздроблена кость и ее надо заменить, то берется синтетический гидрокиопатит, ставится на место недостающего кусочка, и кость прорастает. Особенность этого минерала в том, что он пористый и эти поры маленькие. В них могут задерживаться разные вещества, имеющие размер крупинок или капель, то есть они оседают внутри, что и называется адсорбцией. И так можно накопить довольно много. А молибден — катализатор. Разработка совершенно понятная. Но это лишь один из способов борьбы с нефтяными загрязнениями, — подчеркнул специалист.
В исследовании принимали участие сотрудники Института геохимии и аналитической химии имени В.И. Вернадского, Казанского федерального университета, Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, Уральского федерального университета и Белгородского государственного национального исследовательского университета.