Тамбовщина — регион аграрный. Здесь ведут свою деятельность немало крупных хозяйств, специализирующихся на растениеводстве, свинокомплексов и птицеводческих предприятий. Учитывая растущие день ото дня показатели отрасли, работа каждого из них выстроена максимально эффективно, но, как водится, есть и обратная сторона медали. Зачастую вредные отходы производства АПК, несмотря на применяемые технологии очистки, всё же попадают в окружающую среду, негативно влияя на неё. Учёные ТГТУ, имея значительный успешный опыт решения задач, связанных с защитой окружающей среды и охраной здоровья человека, создают новые высокоэффективные материалы, способные очистить загрязнённые водные объекты от вредоносной химии, «скрестив» высокотехнологичные углеродные наноматериалы и бюджетные растительные отходы регионального АПК.
На пороге открытий
Открываю дверь лаборатории «Функциональные наноструктурированные материалы для процессов тонкой очистки жидкостей» и попадаю в особый мир. На столах — сложное оборудование, которое соседствует с разнообразными пробирками и контейнерами. Некоторые заполнены чем-то чёрным доверху, другие — наполовину, в третьих — лишь прикрыто донышко. «Нечто чёрное» внешне и по консистенции, которую, если приглядеться, можно рассмотреть сквозь тонкое стекло, напоминает пыль или чёрную патоку. Это для человека непросвещённого... На самом деле в пробирках содержатся различные углеродные субстанции. Хотя визуально трудно определить, где какая, химический состав у них разный.
Это исходное сырьё для серьёзных инновационных исследований, проводимых сейчас на кафедре «Техника и технологии производства нанопродуктов» командой учёных под руководством доктора технических наук, профессора, заслуженного деятеля науки РФ Алексея Ткачёва. Ровно год назад представители ТГТУ выиграли грант Российского научного фонда, предложив использовать многофункциональные наносорбенты нового поколения для ремедиации объектов сельскохозяйственного водопользования, улучшения качества водных ресурсов АПК и организации экологически чистых аквахозяйств. Изначально проект рассчитан на три года, но учитывая перспективность и актуальность его тематики, есть все шансы, что он будет продлён.
«Грант предполагает софинансирование: 50 процентов затрат берёт на себя область, так как проект содержит в себе региональный компонент, и ровно столько же — сам фонд, — поясняет руководитель лаборатории кандидат технических наук, доцент Александр Бураков. — Ежегодный размер гранта порядка семи миллионов рублей. Эти средства пойдут в том числе на формирование научной базы и приобретение оборудования, необходимого для исследований».
Значительная часть оборудования уже закуплена. За время активной исследовательской работы по этому крупному направлению на кафедре, старт которой был дан в 2014 году, посчастливилось выиграть два крупных гранта, которые позволили оснастить лабораторию необходимой экспериментальной и диагностической базой. В итоге оставалось докупить лишь то, что требовалось именно для создания многофункциональных наносорбентов.
Часть команды проекта — студент Дмитрий Бадин, кандидат технических наук, доцент Александр Бураков, кандидат технических наук, доцент Ирина Буракова, аспирант Элина Мкртчян, кандидат технических наук Татьяна Кузнецова, студент Алексей Тимиргалиев
В дальнейшем они могут найти широкое применение для очистки сточных и грунтовых вод, а также ремедиации почв, в которые попадают пестициды и прочая химия с полей. Тема непростая, в России за неё мало кто берётся. В ТГТУ же не только взяли в разработку, но и стали новаторами, соединив для получения наносорбентов растительные отходы сельскохозяйственного производства с углеродными наноматериалами. Особенность проекта ещё и в том, что всё исходное сырьё для исследований также закупили на Тамбовщине. Помимо подсолнечного шрота, это отходы рапса, сои и травяная мука.
«С помощью гидротермальной карбонизации мы получаем углеродный субстрат, который ещё не может быть использован в качестве материала для очистки воды, — рассказывает кандидат технических наук доцент Ирина Буракова. — Затем мы его щелочным способом активируем, чтобы удалить органику, которая содержится внутри, и открыть пористое пространство».
Доцент Ирина Буракова
Рождение гибридного материала
На каждом этапе — своё оборудование. Для получения материала проводят гидротермальную карбонизацию (гидротермальная карбонизация — химический процесс преобразования различных органических соединений в структурированный углерод – прим.ред.) в автоклаве. Магнитная мешалка, нагревая до нужной температуры, равномерно перемешивает. Поскольку все материалы зачастую используются в виде сухого порошка, то без сушильного шкафа тоже не обойтись. Для определения эффективности работы конечного материала как сорбента используют ротаторы, центрифуги — в ней происходит отделение твёрдой фазы от жидкой. Для оценки влияния температуры на сорбцию (сорбция — поглощение твёрдым телом (сорбентом) различных веществ из жидкой среды – прим.ред.) применяют инкубаторы. Содержание вредных веществ в очищенном растворе определяют с помощью спектрометров и спектрофотометров.
Исходный материал с итоговым роднит разве что цвет. Его структура после обработки меняется, вес — тоже. Беру небольшой пласт в руку. Несмотря на размеры, он практически невесомый и очень мягкий, словно бархат, это удивляет ничуть не меньше первого параметра.
«У материала низкая насыпная плотность, и он летучий, поэтому мы работаем с ним предельно осторожно — в халате, перчатках и респираторе», — поясняет Ирина Буракова.
На базе лаборатории подробно анализируются сорбционные характеристики получившегося в итоге материала. Специалисты исследуют сорбцию ионов тяжёлых металлов, в частности, самария, свинца, цинка, меди, а также — различных синтетических органических красителей, которых на самом деле целая линейка. Каждый компонент — шрот, отходы сои и рапса, травяная мука — вводится в исследование отдельно. Сейчас группа учёных работает со шротом. По словам Александра Буракова, уже получена целая линейка вариаций состава и степени активации этого материала. Материал, прошедший щелочную активацию, демонстрирует впечатляющие результаты — степень очистки по красителям достигает 99 процентов!
В процессе работы «рождается» новый гибридный материал. Он содержит в себе дешёвую основу, те самые растительные отходы, и инновационные наноматериалы, которые проявляют очень высокую сорбционную активность. Они дорогие, поэтому добавлять их нужно чуть-чуть, чтобы сорбент в итоге был доступным по цене. Отмерить сотые, а часто и тысячные доли грамма наноматериалов позволяют специальные аналитические весы, стоящие в лаборатории едва ли не на самом видном месте.
Наномиру все возрасты покорны
На самом деле исследования по сорбции предполагают многоуровневость. Большое значение отводится исследованиям по регенерации сорбента, ведь он должен обладать высокой степенью восстановления, чтобы использоваться в течение нескольких циклов.
На каждый год работы по проекту определён свой список задач. Исследования на реальных водах запланированы на третий год, когда в условиях лаборатории будут проверены сорбенты выбранных линеек, и составлен их рейтинг. Для оценки конечных концентраций, по всей видимости, всё же придётся воспользоваться сертифицированными лабораториями, поскольку оборудование, имеющееся в распоряжении сотрудников кафедры, рассчитано на оценку одного элемента загрязнения, находящегося в воде, а не целого их набора.
Студенты 4 курса Алексей Тимиргалиев и Дмитрий Бадин загружают органическую субстанцию в автоклав
Помимо научных сотрудников кафедры «Техника и технологии производства нанопродуктов», в проекте активное участие принимают аспиранты, магистранты и даже студенты. Большинство заинтересовались наноматериалами, ещё учась на младших курсах, и чуть позже уже выбрали их для научных изысканий. Под контролем опытных наставников они выполняют значительную часть лабораторных исследований, в соавторстве готовят научные публикации, выступают на конференциях. И, конечно, в перспективе надеются сказать своё слово в науке. Преемственность поколений, которой придерживаются в техническом университете буквально с момента его создания, этому всячески способствует.
«Наномир» интернационален и опыт ТГТУ подтверждает это. К профильным исследованиям, правда, уже вне проекта, активно привлекаются аспиранты-иностранцы. Так, Кадум Али Хуссейн Кадум из Ирана будет защищать диссертацию по наноматериалам и их применению в качестве сорбентов. Он считает это направление перспективным и намерен продолжить свои исследования и в дальнейшем.
