Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время магнитным наноматериалам уделяется повышенное внимание, связанное с наличием уникальных свойств магнитных наночастиц, позволяющих эффективно использовать их, например, в составе магнитоактивных сорбентов в системах жизнеобеспечения длительных экспедиций (космических и др.), а также в экологии в технологиях очистки природных сред, сопредельных с авиапредприятиями. Важным инструментом управления магнитными характеристиками в наноструктурах может стать модификация поверхности наночастиц полифункциональными материалами, обладающими высокой сорбционной емкостью. Значительный, но пока недостаточно изученный потенциал представляют органо-минеральные композиты, включающие природные комплексоны, проявляющие высокую аффинность к ионам тяжелых металлов, в частности, гуминовые кислоты. В связи с этим актуальными являются разработка и оптимизация сложных по составу гибридных функциональных наноматериалов с воспроизводимыми структурными параметрами и комплексом требуемых свойств.
Целью работы является исследование особенностей получения и структуры магнитоактивных материалов на основе наночастиц магнетита и гуминовых кислот (Рез04-ГК) и оценка их функциональных свойств (магнитных и сорбционных). В качестве матрицы использованы гуминовые кислоты - полифункциональные высокомолекулярные вещества природного происхождения с разветвленной молекулярной структурой и многочисленными реакционноспособными группами (карбоксильными, фенольными и др.), активными в процессах комплексообразования и сорбции. Перспективность использования гуминовых кислот и их производных в качестве сорбентов определяется огромными ресурсами гумусосодержащих материалов, к которым относятся бурый уголь, торф, сапропель и т.п. Такие гибридные материалы обладают дополняющими свойствами: высокоэффективных сорбентов и специфических магнитных материалов. Это может найти оригинальное приложение, связанное с удалением формирующегося
магнитоактивного конгломерата загрязнитель-сорбент из техногенных сред с использованием техники магнитной сепарации.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
получение гибридных материалов на основе наночастиц магнетита и гуминовых кислот методами химического соосаждения и механохимического синтеза;
-
изучение фазового состояния, структуры и распределения по размерам полученных наноматериалов и их компонентов;
-
характеризация магнитных параметров получаемых гибридных материалов (коэрцитивная сила, намагниченность насыщения, константа магнитной анизотропии);
-
исследование сорбционных свойств гибридных материалов на примерах модельных токсикантов (ионов тяжелых металлов);
-
оценка токсичности магнитоктивных нанокомпозитов и их компонентов;
-
разработка аппаратурно-технологических схем получения функциональных гибридных материалов.
В настоящей работе использованы два подхода к формированию магнитных наночастиц - механохимический и химический синтез с целью поиска технологического способа получения наночастиц с целевыми свойствами. Для решения задачи использованы метод твердофазного синтеза в высокоэнергетической шаровой мельнице и растворный синтез магнитных наночастиц (in situ) в матрице гуминовых кислот с последующим анализом фазового состава, морфологии, магнитных и сорбционных характеристик, токсичности препаратов. Выбор метода механохимического синтеза наноматериалов обусловлен простотой масштабирования и нетоксичностью процесса, химического соосаждения in situ - одностадийностью и возможностью варьирования свойствами конечного продукта.
Научная новизна. В работе впервые: 1. Проведен сравнительный анализ методов получения магнитных наночастиц в матрице гуминовых кислот (химическое соосаждение, метод твердофазного
синтеза в высокоэнергетической шаровой мельнице), установлена концентрационная зависимость размеров наночастиц магнетита от содержания гуминовых кислот.
-
Показана способность магнитоактивного гибридного материала БезС^-ТК сорбировать ионы тяжелых металлов и определены его сорбционные параметры.
-
Предложены аппаратурно-технологические схемы получения сорбентов для очистки техногенных сред от ионов тяжелых металлов с применением техники магнитной сепарации.
Практическая значимость.
-
Разработаны методики синтеза магнитоуправляемых гибридных материалов на основе наночастиц магнетита БезС^-ТК с контролируемыми составом, размерами и свойствами дисперсной фазы. Оптимизированы технологические параметры (20 масс. % ГК в составе гибридного материала, 40С, время синтеза 20 мин).
-
Магнитоактивные гибридные материалы БезС^-ГК использованы в качестве эффективных сорбентов для связывания ионов тяжелых металлов.
-
Отработаны технологические режимы получения опытной партии сорбента и разработаны на их основе аппаратурно-технологические схемы получения магнитоактивных гибридных материалов, которые используются в ОАО «Биохиммаш» при масштабировании технологии получения гибридных сорбентов, что подтверждено соответствующим актом внедрения.
4. Технические решения, реализованные в новых составах синтезированных
материалов, способах их формирования, соответствуют критериям мировой
новизны, патентоспособны и защищены заявкой на изобретение РФ №2012128946
от 10.07.2012.
Ряд исследований выполнен в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» 2009-2013 годы по государственным контрактам № 02.740.11.0693 «Разработка нанотехнологий для ремедиации и экотоксикологической оценки химических и радиохимических загрязнений природных сред» и № 14.740.11.0415 «Разработка
магнитосепарационной нанотехнологии для детоксикации загрязненных территорий, сопредельных с авиаплощадками».
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Модифицирование наночастиц магнетита гуминовыми кислотами с
одновременной стабилизацией их.
-
Управление морфологией гибридных материалов и их функциональными характеристиками.
-
Технология получения сорбентов Без04-ГК для связывания и удаления ионов тяжелых металлов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на российских и международных конференциях в виде устных и стендовых докладов, в том числе на Всероссийской школе-конференции для молодых ученых «Макромолекулярные нанообъекты и полимерные нанокомпозиты» (Истра, 2010), XXI SETAC Europe (Милан, 2011), научной школе «Электронные и оптические свойства наноразмерных материалов» (Сан-Себастьян, 2011), ММС-14; ММС-15 (Хельсинки, 2011; Гринвилл, 2013), Международном семинаре «Структурные аспекты биосовместимых ферроколлоидов: стабилизация, контроль свойств и применение» (Дубна, 2011), XIX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Волгоград, 2011), Международной конференции «Биополимеры и композиты» (Шиофок, 2012), MSMS 2012 (Оломоуц, 2012), CIS IHSS (Москва, 2012), XI Международной конференции «Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул» (Томск, 2013).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 3 статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, и 11 тезисов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы из 163 наименований. Работа изложена на 140 страницах и включает 50 рисунков и 25 таблиц.
