Химики МГУ разработали простой способ получения материала для очистки морских вод от нефтяных пятен на основе терморасширенного пенографита. Новая технология позволяет на порядки ускорить процесс получения важного сорбента и сделать его намного безопаснее. Результаты исследования опубликованы в издании Journal of Physics and Chemistry of Solids.
Терморасширенный графит (или пенографит) — макропористый материал по своей структуре являющийся чистым графитом. Шестигранные «соты» из атомов углерода в пенографите, как и в обычном графите, образуют плоскую слоистую решетку, но пачки данных слоев расположены не параллельно, а под разным углом друг к другу. Пенографит обладает относительно высокой удельной поверхностью и очень низкой плотностью (до 1 г/л).
Синтезируют терморасширенный графит из природного кристаллического графита. На первом этапе исходный графит обрабатывают сильными кислотами (азотной или серной) в присутствии окислителя, в результате чего молекулы кислоты внедряются между слоями решетки природного графита. Полученное соединение отмывают и сушат, таким образом получая окисленный графит с кислородосодержащими группами на своей поверхности. Затем материал подвергают резкому нагреванию (т.н. термоудар) до 1000°C со скоростью 400-600°C/сек. Благодаря очень высокой скорости нагрева происходит мгновенное испарение воды и остаточной кислоты, за счет чего матрица графитовой решетки расширяется в сотни раз. Образуется очень пористое вещество, способное селективно впитывать органические молекулы, при этом не впитывая воду, благодаря гидрофобности поверхности. Экологическая безопасность, стабильность и высокая скорость поглощения углеводородов делает пенографит перспективным материалом для сбора нефтяных загрязнений с морской поверхности.
При промышленном получении пенографит дополнительно модифицируют, внедряя в него магнитные частицы. Благодаря модификации можно осуществить сбор поглотившего нефть сорбента магнитным полем. Для «намагничивания» окисленный графит пропитывают водными растворами солей железа. Затем при термоударе в пенографите образуются антиферромагнитые частицы оксида железа, которые восстанавливают с помощью газообразного водорода для получения магнитного металлического железа. Правда, использовать водород довольно долго и дорого — процесс восстановления при помощи такой реакции идет не слишком быстро.
Сотрудники химического факультета МГУ под руководством ведущего научного сотрудника кафедры химической технологии и новых материалов к.х.н. Артема Малахо усовершенствовали промышленную методику и предложили пропитывать кристаллический графит смешанным раствором соли железа и солей кобальта или никеля. При термоударе в воздушной атмосфере соли разлагаются до оксида железа и оксида металла (никель, кобальт), которые взаимодействуют с образованием магнитного феррита. Новая методика не предполагает использование более дорогого водорода, а образование феррита происходит за несколько секунд.
Один грамм терморасширенного графита поглощает примерно 50 г нефти. По словам Артема Малахо, самый близкий по значениям сорбционной емкости конкурент — полиуретан — собирает до 50 г нефти на грамм вещества. Остальные используемые сорбенты значительно им уступают: опилки, древесина, шелуха — до 8 г/г; мох, торф — до 5 г/г; активированный уголь — до 5 г/г.
Как уточняют авторы, пенографит предназначен для устранения нефтяных пятен, плавающих на водной поверхности, как и большинство применяемых сорбентов. Для удаления загрязнения в толще воды используют биологические методы (бактерии, разлагающие углеводороды), но они достаточно дорогостоящие. Так что над их усовершенствованием ещё предстоит поработать.
Фото: Пенографит с ферритными фазами, притянутый к магниту