Российские ученые создали микрокапсулы, которые помогут защитить реки от сбросов текстильных и косметических фабрик

Ученые Московского Политеха и Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН создали полимерные микрокапсулы, которые за пять минут убирают из промышленных стоков остатки флуоресцентного красителя уранина. Технология рассчитана на последнюю ступень очистки на текстильных, полиграфических и косметических производствах: она должна помочь снизить концентрацию красителя до допустимой, прежде чем вода попадет в реки и озера. В лабораторных опытах капсулы удаляли 98–100% вещества.

Уранин дает яркое желто-зеленое свечение, заметное даже при ничтожной концентрации. Гидрогеологи с его помощью отслеживают движение подземных вод и ищут утечки, а производители добавляют его в текстиль, защитные покрытия и косметику. Применяют краситель и в медицине, например при обследовании сосудов сетчатки. По данным, приведенным в статье, мировое производство флуоресцеина достигает 14 тыс. тонн в год, а 5–15% этого объема попадает в городские и промышленные стоки.

Острая токсичность уранина невысока, но при повышенной концентрации в водоемах краситель поглощает часть света, необходимого для фотосинтеза. Из-за этого фитопланктону труднее расти, а это может нарушать пищевые цепи. В качестве целевого показателя для сбросов авторы приводят концентрацию менее 0,05 мг на литр. Добиться ее непросто: при низком содержании красителя коагулянты работают хуже и дают много осадка, мембраны быстро засоряются, а активированный уголь для повторного использования приходится нагревать до 800–900 °C.

Каждая капсула имеет размер около 4,5 микрометра, что примерно в 15 раз меньше толщины человеческого волоса. Ее собирают в воде без органических растворителей: на крошечную частицу карбоната кальция поочередно наносят слои двух полимеров с противоположным зарядом, а затем растворяют частицу. Остается гидрогелевая полимерная структура, насыщенная водой.

Молекула уранина в воде заряжена отрицательно, а в полимерной сетке капсулы есть положительно заряженные группы. Важную роль играет электростатическое взаимодействие: оно помогает красителю связаться с полимером и удержаться внутри капсулы. Ее можно сравнить с очень маленькой губкой: вода быстро проникает внутрь, и краситель не тратит много времени на поиск места для связывания, — рассказал один из авторов исследования, кандидат биологических наук, доцент Московского Политеха Александр Ким.

При концентрации красителя 2,5 и 5 мг на литр капсулы удаляли 98–100% вещества. Лучше всего они работают в нейтральной и слабокислой среде, при pH от 3 до 7, поэтому такие стоки не придется дополнительно подкислять или подщелачивать. При pH 10 связывание почти прекращается, а при росте концентрации хлорида натрия эффективность заметно снижается.

Максимальная сорбционная емкость капсул составляет около 12 мг красителя на грамм материала. Это меньше, чем у многих известных сорбентов, поэтому для сильно загрязненных стоков материал не подходит.

Микрокапсулы могут использоваться для финальной доочистки воды. Если после обработки другими сорбентами в воде остается небольшое количество уранина, наша технология позволяет удалить до 100% этого остатка, — пояснил Александр Ким.

Капсулы плохо поддаются регенерации: при повторном использовании они связывали не более 15% от первоначального количества красителя. В деионизированной воде они высвобождали не более 10% поглощенного вещества. Авторы рассматривают материал как одноразовый сорбент, например для сменных картриджей на текстильных, полиграфических и косметических производствах.

Ученые планируют сделать капсулы устойчивее к солям и проверить их на реальных многокомпонентных стоках. Научным руководителем работы стал Сергей Тихоненко из ИТЭБ РАН, в исследовании также участвовал доцент Московского Политеха Егор Мусин. Работа выполнена при поддержке программы грантов им. П. Л. Капицы Московского Политеха и в рамках госзадания ИТЭБ РАН.

Результаты опубликованы в научном журнале Gels.

Фото: Московский Политех

Источник: Минобрнауки России