Новый сорбент смог уловить до 99,99% канцерогенного бензола

Циклогексан — углеводород в виде шестичленного кольца — используется в качестве сырья для производства нейлона, из которого делают ткани, пластмассы и автомобильные детали. Циклогексан в свою очередь получают из бензола — другого соединения в виде кольца, — добавляя к нему дополнительные атомы водорода. Бензол опасен для человека: попадая через дыхательные пути и кожу в организм, он увеличивает риск онкологических заболеваний. Чтобы уберечь сотрудников химических производств и потребителей конечной продукции от токсического эффекта бензола, его остатки важно тщательно удалять из циклогексана. Однако сделать это сложно из-за почти одинаковых физических свойств этих веществ, поэтому ученые ищут новые эффективные методы их разделения.

Исследователи из Института неорганической химии имени А.В. Николаева СО РАН (Новосибирск) с коллегами из Даляньского технологического университета (Китай) синтезировали металл-органический каркас, который удерживает бензол за счет как физических, так и химических процессов. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of the American Chemical Society.

За основу исследователи взяли соли цинка и две сложные органические молекулы. Их смешали, а затем нагревали до 100°С в течение полутора суток. В результате авторы получили мелкие кристаллы с узкими порами, в которых «застревают» молекулы бензола. Кроме того, в этих порах находятся группы атомов, которые эффективно взаимодействуют именно с молекулами бензола, дополнительно удерживая это опасное вещество в сорбенте.

Взаимодействие молекул бензола с поверхностью пор сорбента / © Андрей Потапов / ИНХ СО РАН

Химики протестировали разработку, разделив с ее помощью смеси бензола и циклогексана в разных пропорциях. Оказалось, что материал удаляет до 99,99% канцерогена из смеси, при этом его можно использовать многократно: поглотитель не потерял своей эффективности даже после трех циклов работы.

«Секрет избирательности материала заключается в том, что каждая узкая пора в нем идеально вмещает две молекулы бензола. Циклогексан несколько крупнее, поэтому он не влезает в такие щели. Компьютерное моделирование подтвердило, что присоединение бензола энергетически выгодно — в этом случае выделяется дополнительная энергия, тогда как захват циклогексана, наоборот, требовал бы энергетических затрат, поэтому он невыгоден», — поясняет руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Андрей Потапов, доктор химических наук, главный научный сотрудник лаборатории металл-органических координационных полимеров Института неорганической химии имени А.В. Николаева СО РАН.

Более того, новый материал можно использовать в качестве детектора. Дело в том, что сам по себе полученный металл-органический каркас под действием ультрафиолета испускает зелено-желтый свет. Когда кристаллы помещают в раствор с бензолом, они начинают светиться в полтора раза ярче, при этом оттенок излучения становится ближе к зеленому. Такое изменение яркости и спектра заметно даже невооруженным глазом.

Изменение цвета свечения сорбента в процессе поглощения молекул бензола / © Дмитрий Павлов / ИНХ СО РАН

Важно подчеркнуть, что материал оказался чувствительнее лучших из существующих аналогов. С его помощью удалось выявить концентрации бензола в три раза меньшие, чем способны уловить другие поглотители. Такая особенность нового металл-органического каркаса позволит своевременно выявлять утечки канцерогена на химических производствах и тем самым уберечь работников от его воздействия.

«Разработанный нами материал поможет снизить риск профессиональных онкологических заболеваний у сотрудников химических и фармацевтических производств, связанных с воздействием бензола. Кроме того, он удешевит производство циклогексана за счет более простой и экономичной очистки этого продукта от опасной примеси. В дальнейшем мы планируем разработать способы получения сорбентов с увеличенным объемом пор, чтобы повысить производительность разделения, сохраняя при этом его высокую эффективность», — рассказывает Андрей Потапов.