Углеродный полифункциональный сорбент, созданный в Южно-Уральском государственном университете, сможет не просто поглощать сразу несколько типов вредных веществ, образующихся при промышленном производстве. Новый материал будет избирательно сорбировать отдельные органические вещества «под заказ». И поэтому он может быть ориентирован на наиболее опасные загрязнители, поглощение которых станет для него приоритетным. По данной теме опубликована научная статья в журнале Refractories and Industrial Ceramics.

Учеными уже запатентован углеродный сорбент селективного (избирательного) действия по отношению к фенолу — органическому веществу, оказывающему токсическое воздействие на окружающую среду и здоровье человека. Фенол относится ко второму классу опасности, легко проникая в организм через кожу и легкие, оказывая негативное влияние на работу нервной и сердечно-сосудистой систем. Основная задача, которую ставят перед собой ученые, — создать материалы, которые в максимальных объемах «поглотят» конкретные виды токсичных примесей, попадающих в окружающую среду.

— По современным представлениям за адсорбцию отвечает пористая структура, т.е. макропоры и микропоры материала. Если размеры пор относительно совпадают с размерами молекул, материал будет обладать хорошими сорбирующими свойствами. Другими словами, молекулы вредного вещества будут проникать в структуру сорбента и оставаться в нем. Однако основная проблема заключается в том, что одинаковые по размеру молекулы разных веществ в одном случае сорбируются, а в другом — нет. Кроме того, если в одном углеродном материале имеются две близкие по размеру поры, то в одной из них может происходить адсорбция некоторого вещества, а вот в другой адсорбции не наблюдается. В этом и состоит основное противоречие существующей теории, — рассказывает кандидат технических наук, доцент кафедры безопасности жизнедеятельности Политехнического института ЮУрГУ Александр Солдатов.

Ученые исходят из предположения, что пористая структура, безусловно, оказывает влияние на адсорбцию, но наиболее важный вклад в адсорбционную способность углеродного сорбента вносит химическая структура его поверхности. В зависимости от того, какой структурой обладает углеродный материал, он будет проявлять сорбирующие свойства по отношению к конкретному классу органических соединений в большей или меньшей степени.

В связи с этим научный коллектив изучает различные сорбенты, оценивая их сорбирующие свойства, а затем химически видоизменяя структуру поверхности материала. Далее проводится испытание сорбента, цель которого заключается в том, чтобы проверить, увеличилась сорбирующая способность материала или нет. Таким образом, структура поверхности сорбента, как и его пористость, определяет эффективность такого материала при взаимодействии с загрязнителями.

На сегодняшний день проведены эксперименты с различными вредными веществами, в числе которых фенол, полифенолы, альдегиды, кетоны, поли- и гетероароматические соединения и др. Исследование показало, что каждый класс веществ поглощается сорбентом с различной степенью интенсивности. В связи с этим ученые ставят перед собой еще одну задачу.

—В промышленных условиях на конкретном предприятии существует определенный (достаточно ограниченный) перечень загрязнителей. Исходя из этого, мы можем создавать сорбенты, которые будут избирательно сорбировать определенную группу компонентов. Так как емкость любого сорбирующего материала ограничена, приоритетным для нас является поглощение наиболее опасных для окружающей среды веществ. Если сорбент будет поглощать преимущественно одни вещества и игнорировать другие, мы сможем с большей эффективностью очистить, например, воду от наиболее вредных примесей. Другими словами, мы сможем регулировать селективность сорбентов, создавать их для поглощения конкретных групп веществ «под заказ», — отмечает Александр Солдатов.

Сорбционные процессы используются не только при решении экологических задач, но и в промышленном производстве. Поэтому результаты исследования углеродных сорбентов могут найти применение как при защите окружающей среды, так и при производстве различной продукции военного и гражданского предназначения. Известно, что углеродная связь обладает высокой прочностью, и материалы из углерода при той же прочности значительно легче большей части металлов. Кроме того, углеродное волокно хорошо армирует и упрочняет многие композитные материалы. Еще одно из возможных применений — создание новых, литий-сульфидных аккумуляторов, которые будут эффективнее применяемых сейчас на 20‒30%.