Ростовские ученые улучшили способность биоугля — природного пористого материала — поглощать из почвы свинец и медь. Для этого в структуру биоугля ввели металл-органические каркасные структуры с рекордными показателями пористости, эффективно связывающие тяжелые металлы. За счет увеличения площади поверхности и более активного взаимодействия с металлами полученный композит удалил до 99% меди и свинца из образцов загрязненной почвы. Улучшение состояния почв приведет к повышению их плодородия и увеличению урожайности сельскохозяйственных культур.
Проблема загрязнения почв тяжелыми металлами особенно актуальна для промышленных регионов России, например Челябинской, Свердловской и Кемеровской областей, где исторически развита металлургия, а также южных аграрных районов, где интенсивно применяются агрохимикаты. В частности, Ростовская область, будучи одним из ключевых аграрных регионов страны, также имеет на своей территории ряд крупных предприятий, оказывающих негативное влияние на окружающую среду. Поэтому ученые ищут способы очистки почв от загрязняющих ее тяжелых металлов.
Экологически чистым поглотителем тяжелых металлов может служить биоуголь, который к тому же улучшает качество почвы и повышает ее плодородие. Этот материал, как губка, впитывает металлы благодаря пористой структуре. Однако площадь поверхности, которой он взаимодействует с загрязнителями, не очень велика, и из-за этого его поглотительная способность ограничена. В результате для обработки почвы приходится использовать большие количества биоугля. Улучшить свойства этого поглотителя можно, присоединив к его частицам вещества, активнее связывающие металлы, а также формирующие дополнительные поры и увеличивающие площадь поверхности.
Исследователи из Южного федерального университета (Ростов-на-Дону) создали нанокомпозит на основе биоугля и металл-органического каркаса. Металл-органические каркасы — это класс высокопористых координационных полимеров, состоящих из ионов или кластеров металлов, которые соединены между собой органическими молекулами. Соединения такой структуры имеют самые высокие сорбционные (впитывающие) характеристики среди всех пористых материалов. Они применяются в качестве катализаторов, а также для поглощения и разделения газов, в частности, улавливания углекислого газа. Размер пор, а также химические свойства металл-органических каркасов можно легко настроить, меняя компоненты в их составе, поэтому они очень удобны в качестве веществ, связывающих тяжелые металлы.
Для создания нанокомпозита авторы выбрали хорошо изученный железосодержащий металл-органический каркас. Его синтезировали в лаборатории, используя железный порошок и органическую кислоту. Биоуголь исследователи получили из соломы пшеницы — отхода, остающегося после сбора урожая. Компоненты будущего нанокомпозита смешали и выдержали 20 минут при 120°С, сообщила пресс-служба Российского научного фонда.
Исследование структуры полученного материала показало, что металл-органический каркас в шесть раз увеличил площадь поверхности биоугля за счет дополнительных пор. Это говорит о том, что новый материал должен эффективнее «собирать» тяжелые металлы. Чтобы доказать это, ученые внесли нанокомпозит в образцы почвы, загрязненные заранее известными количествами свинца и меди. Для сравнения использовали биоуголь, в структуру которого не вводили металл-органический каркас.
Оказалось, что нанокомпозит удаляет до 99% тяжелых металлов из почвы даже при их высоком содержании в образцах, тогда как у биоугля при сильном загрязнении эффективность падает до 82%. Помимо большего количества пор, авторы определили два основных механизма, за счет которых нанокомпозит эффективнее удерживает тяжелые металлы. Во-первых, металлы образуют комплексы с кислородсодержащими группами в составе металл-органического каркаса. Во-вторых, между железосодержащими центрами в композите и загрязненной почвой происходит обмен катионами — положительно заряженными частицами металлов. Это обеспечивает надежную фиксацию загрязнителей в порах нанокомпозита.
Также ученые хотят повысить функциональность материала, создав на его основе платформы для доставки в растения различных полезных биодобавок, например, гуминовой кислоты или ауксинов. Это поможет повысить выживаемость растений в условиях засухи и расширит возможности сельского хозяйства в регионах с засушливым климатом, пояснил Владимир Поляков.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Environmental Science and Pollution Research.
.jpg)
