Сначала исследователи подготовили четыре разных вида наночастиц: оксида алюминия Al2O3, оксида цинка ZnO, оксида железа Fe3O4, а также наночастицы FeOOH, в которых часть атомов железа были заменены на атомы марганца Mn.
Губки замачивали в водных растворах наночастиц, а затем высушивали при температуре 60 градусов Цельсия. Чтобы добиться более высокой концентрации наночастиц в финальном материале, процедуру можно повторить несколько раз.
В рамках эксперимента, ученые погружали губки в растворы с концентрацией свинца от 1 до 100 миллионных долей. Всего испытали пять материалов: с добавками четырех разных видов наночастиц и без добавок. Количество тоже меняли. Такой большой массив данных был необходим для построения графиков зависимости количества адсорбированного вещества от концентрации в растворе при постоянной температуре. Это позволило сравнить разные параметры процессов количественно.
Самую высокую емкость показали композиты с наночастицами оксида цинка и и оксида железа, допированного марганцем. Материалы хорошо работали при низких концентрациях свинца. Они связывали свинец, даже в присутствии других металлов.
Таким образом оптимальным сорбентом исследователи признали композит с наночастицами оксида железа, допированного марганцем Mn-FeOOH. По мнению ученых у него более мелкий размер и высокая удельная площадь поверхности наночастиц — 217 квадратных метров на грамм против 102 квадратных метров на грамм у приготовленных в таких же условиях частиц оксида железа. Кроме того, небольшому размеру наночастицы Mn-FeOOH проникали в самые мелкие поры губок.
Для проверки нового материала исследователи создали из него фильтровальную мембрану и пропустили через нее воду с начальной концентрацией свинца в одну миллионную долю. Концентрация свинца после двух циклов фильтрации снизилась до 5 миллиардных долей, а после третьего — до 0,2 миллиардной доли.
Сорбированный на губки свинец способен регенерировать: для этого губку необходимо поместить в кислый водный раствор. Таким образом ученым удалось регенерировать 90% свинца, но в будущем, подобрав оптимальные условия реакции, долю можно будет повысить, - уверены эксперты. В процессе регенерации губки не повреждаются, их тоже можно использовать повторно.
С помощью наночастиц пористых ароматических каркасных структур, американским исследователям удалось модифицировать мембраны для электродиализа. В результате эксперты очистили воду и селективно извлекли более 99% ртути, меди, железа и борной кислоты.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsestwater.2c00646
