Загрязнение сточных вод токсичными солями тяжёлых металлов – одна из серьёзных проблем современной цивилизации. О высокой токсичности ртути и её крайне вредном воздействии на организм человека и окружающую среду известно каждому. Одним из эффективных методов борьбы с подобными загрязнениями является химическая адсорбция ионов Hg2+.

В качестве наиболее эффективных сорбентов можно назвать проводящие полимеры, содержащие серу, азот или кислород, которые проявляют высокую активность при связывании ртути. К сожалению, удельная площадь поверхности подобных полимерных материалов невелика, что заставляет научную общественность разрабатывать новые уникальные композиты для эффективной очистки.

Решением данной проблемы занимаются корейские учёные в университете города Поханга (Pohang, Korea). Ранее научная группа под руководством профессора Кима (Kwang S. Kim) уже опубликовала эффективный метод очистки сточных вод с высоким содержанием мышьяка. Сейчас фокус их исследований направлен борьбу с ртутью. В качестве сорбента они использовали полипиррол (polypyrrole – PPy), отличающийся высокой стабильностью (как химической, так и термической) и низкой токсичностью. Для увеличения площади удельной поверхности сорбции в качестве основы для полимера был предложен восстановленный оксид графена (reduced graphene oxide – RGO).

Рис. 1. Высотный профиль исходного оксида графена по данным атомно-силовой микроскопии (а); растровая электронная микроскопия порошка восстановленного оксида графена (b), полипиррола © и композита восстановленный оксид графена/полипиррол (d). Данные просвечивающей электронной микроскопии подтверждают формирование полимера на поверхности углеродных слоёв (e), а также уникальную природу композита (f).

В процессе синтеза полимеризацию пиррола проводили совместно с восстановлением оксида графена. Благодаря подобной методике формирование полимера происходит исключительно на поверхности углеродных монослоёв. Этот факт подтверждается данными электронной микроскопии (рис. 1) – композит не содержит полимерных глобул, характерных для полипиррола. Подобная морфология позволила достичь удельной площади поверхности композита в 166 м2/г (для сравнения у «чистого» полимера – 6 м2/г) и высокой сорбционной ёмкости, равной 980 мг Hg2+ на грамм сорбента.

Рис. 2. Максимальная сорбционная ёмкость композита достигается при 15% полипиррола по массе.

Также в ходе работы было оптимизировано массовое содержание полипиррола в композите (рис. 2) и показана его сорбционная активность при различных условиях (рис. 3). Следует отметить, что предлагаемый материал термически устойчив вплоть до 270°С, а также обладает высокой эффективностью сорбции уже при комнатной температуре. Благодаря быстрой кинетике процесса полное насыщение композита достигается уже по прошествии 20 минут. Кроме того, сорбент обладает высокой селективностью (рис. 4) и уникальной способностью к регенерации (то есть возможно многократное циклирование, что чрезвычайно важно при промышленной очистке). Промывка композита в водном растворе соляной кислоты приводит к удалению более 92% ионов Hg2+, сорбированных на его поверхности.

Рис. 3. Зависимость сорбционной ёмкости композита от начальной концентрации Hg2+ (a), времени сорбции (b), рН (с) и температуры проведения эксперимента (d).

Рис. 4. Эффективность сорбции различных металлов из смешанного раствора подтверждает высокую селективность композита.