Новый сорбент – для людей и промышленности

7 февраля на праздновании Дня науки молодые ученые – победители конкурса научных работ КНЦ РАН за 2019 год – получали дипломы и премии. Всего было подано 26 заявок из восьми учреждений Центра. В номинации «Технические науки» победителем стала кандидат технических наук, научный сотрудник ИХТРЭМС КНЦ РАН Наталья Мудрук за цикл статей «Направленный синтез композиционных материалов на основе фосфатов Ti-Ca-Mg и изучение их сорбционных свойств». А предшествовала статьям и награде серьезная командная работа над новым, нужным и важным материалом.

Наталья Мудрук – научный сотрудник Лаборатории химии и технологии сырья тугоплавких и редких элементов ИХТРЭМС КНЦ РАН, в которой трудятся 12 человек. Она рассказала о том, с чего начался проект, и как шла работа, поддержанная Российским фондом фундаментальных исследований (РФФИ).

– Идея принадлежит Марине Масловой, главному научному сотруднику ИХТРЭМС КНЦ РАН и руководителю гранта РФФИ, в рамках которого выполнялись исследования. Чтобы осуществить такое масштабное исследование, довести его до финала, необходима слаженная работа многих подразделений института. В задачи руководителя входит разработка так называемого «дизайна» проекта и контроль его этапов, а мы, исполнители, в свою очередь проводим эксперименты и анализируем полученные от аналитиков данные. Работа продолжалась почти два года – в июне 2018 года нам одобрили грант, – и была она совместной с коллегами из Института общей и неорганической химии НАН Белоруссии.

Марина Маслова и до начала общего проекта изучала фосфаты титана, их сорбционные свойства и синтез. Белорусские коллеги производили фосфаты кальция и магния, тоже сорбенты, на основе собственного дешевого минерального сырья – доломита. Так родилась идея совместной работы над композиционным сорбентом, где будут представлены все три вида фосфатов.

– Мы проанализировали известные способы получения наших фосфатов и в результате разработали методы синтеза, позволяющие получать композит – новый продукт, в котором присутствуют как фосфаты кальция и магния, так и фосфат титана. Индивидуальные фосфаты кальция и магния работают в щелочной и нейтральной области, а фосфаты титана – в кислой и нейтральной. У них разные рабочие области рН, а наш композиционный сорбент получился более универсальным. Изучив полученный сорбент, мы поняли, что его состав оказался сложнее, чем если бы мы просто смешали механически три отдельных фосфата.

Наталья Мудрук рассказала, что большая часть времени ушла на подбор условий синтеза – эксперименты при разных исходных данных: температуре, времени контакта, рН-растворов.

– Мы должны были сократить время синтеза, уменьшить по возможности температуру, чтобы он проходил в так называемых «мягких» условиях, иначе и охрана труда, и техника безопасности становятся сложнее, увеличиваются затраты на производство, а значит, и стоимость продукта. В результате мы добились получения композиционного сорбента при температуре в 60 градусов за несколько часов – это для неорганического синтеза очень хорошие условия.

По словам Натальи, они с коллегами разработали сразу два варианта синтеза. Один –гетерогенный, где взаимодействуют твердые и жидкие вещества. Второй – твердофазный, с помощью механоактивации, когда создаются специальные условия и реакции происходят сразу между твердыми исходными реагентами (прекурсорами). Это отвечает принципам «зеленой химии», поскольку при производстве продукта по такой технологии нет жидких стоков и остаточных вредных веществ, а безотходное производство является большим плюсом для экономики и экологии.

– Для чего именно нужен новый сорбент, какова его практическая польза?

– Во-первых, он сорбирует радиоактивные изотопы стронция, цезия, кобальта и тяжелых металлов. Степень удаления таких катионов у нашего сорбента из известных фосфатных – очень высока. Во-вторых, позволяет проводить глубокую очистку растворов от токсичных металлов – кадмия, цинка, меди, свинца и кобальта. Эти химические элементы очень вредны для человека, а сорбент позволяет очищать их с высокой степенью удаления. Ведь из-за разных свойств фосфатов, входящих в композит, сорбция проходит по двум механизмам. При необходимости мы можем изменить исходное содержание компонентов в зависимости от того, что нам надо очистить: на этапе синтеза можем варьировать состав сорбента для разных целей.

Наталья Мудрук подчеркивает: продукт работы ученых – это не только практический результат, но еще и публикации в научных журналах.

– Наша работа получила награду потому, что сейчас создание дешевых сорбентов – довольно важная область, новости которой интересуют мировое научное сообщество. И наши статьи приняли к публикации достаточно рейтинговые зарубежные журналы. Конечно, в этом есть заслуга и всей нашей лаборатории, и Кольского научного центра в целом, ведь именно имеющаяся приборная аналитическая база позволила провести это исследование на высоком уровне с использованием многих методов анализа. А для того, чтобы статьи принимали к печати хорошие журналы, мало только желания создавать и изучать новые материалы, нужно еще и подтверждать свои результаты на современном оборудовании.

Наталья Мудрук работает в ИХТРЭМС КНЦ РАН 12 лет, сюда она пришла после окончания технологического факультета МГТУ по специальности «химия». Она уверена, что эта удивительная наука интересна тем, что в ней не обойтись без хорошего эксперимента, без навыка работать со сложными приборами и простым «стеклом», и что в ней всегда есть место творческому началу.