Химики из России и Чехии на основе применяющегося в бутылках пластика разработали металлоорганический каркас с ионами циркония, который действует как сорбент и очищает воду. Ученые успешно испытали его очистительные свойства на инсектициде имидаклоприде. Исследование опубликовано в журнале Applied Materials Today.

«За счет своей пористой структуры и ряда других свойств металлоорганические каркасы перспективны в качестве сорбентов. В частности, нас заинтересовала проблема сорбции инсектицидов, активно использующихся в современном сельском хозяйстве и накапливающихся в почве и воде. Мы предложили новый метод получения каркаса под названием UiO-66 с ионами циркония. Он интересен в первую очередь исходным материалом», — рассказал научный руководитель работы, доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политехнического университета Павел Постников.

Металлоорганические каркасы представляют собой соединения с трехмерной структурой, в которой кластеры или ионы металла связаны между собой своеобразными «мостиками», состоящими из органических молекул. В результате получается пористое вещество, которое обладает свойствами как металлов, так и органических соединений.

Ученые из ТПУ совместно с чешскими коллегами решили использовать металлоорганический каркас как сорбент для очистки воды. Эксперимент они проводили на имидаклоприде. Это один из самых распространенных инсектицидов. Его активно используют в сельском хозяйстве, например для борьбы с колорадским жуком.

«Имидаклоприд накапливается в естественных водоемах, куда попадает из почвы. По данным канадских исследователей, имидаклоприд был найден в воде по всему миру в концентрациях от 0,001 до 320 микрограммов на литр. Обычно UiO-66 получают при высоких температурах и давлении с использованием коммерческой терефталевой кислоты. Мы же использовали ПЭТ, он состоит из этиленгликоля с терефталевой кислотой. Вот эта кислота — строительный материал для органических мостиков в каркасе, она уже есть в материале бутылки», — пояснил один из авторов исследования, младший научный сотрудник Исследовательский школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Олег Семенов.

Чтобы получить металлоорганический каркас, ученые разрезали пластик на маленькие квадраты, которые они подвергли частичному разрушению в кислотном растворе. После этого химики добавили в раствор соли циркония.

«Из ПЭТ частично высвобождается терефталевая кислота. На поверхности пластиковых пластинок образовываются маленькие “якорьки” из нее, а часть кислоты оказывается в растворе. Ионы циркония прикрепляются к “якорькам”, а дальше происходит процесс самосборки, свойственный металлоорганическим каркасам. И на поверхности пластиковых пластинок образуется каркас. Этот каркас чувствителен к имидаклоприду и за счет своих пор и физико-химических свойств притягивает молекулы инсектицида, удаляя их из воды», — рассказал Семенов.

В рамках эксперимента ученые пропускали раствор с пестицидом через сорбент. Чтобы эффективно очистить 1 литр воды, химикам потребовалось 15 граммов сорбента. По их словам, это очень хороший показатель. При этом сорбент многоразовый: исследователи использовали его до пяти раз, но он может быть еще более долгосрочным, предполагают химики. В перспективе разработанный сорбент можно использовать в фильтрационных системах, например, в сельском хозяйстве.

«У нашего сорбента есть еще одно преимущество. Обычно металлоорганические каркасы порошкообразные. Они сами по себе забивают фильтры, и надо продумывать системы фильтрации с учетом этой особенности. Частицы нашего сорбента крупнее, и они не забивают фильтр. Также за счет более крупных частиц пропускная способность сорбента выше, жидкость проще проходит сквозь него. По нашим расчетам, для пропускания воды в нашем случае потребуется давление в сто раз меньше по сравнению с порошком. В конечном итоге это важно для разработки технологии и включения такого сорбента в реальный технологический процесс», — подчеркнул Семенов. Сейчас ученые начали эксперименты с другими металлоорганическими каркасами, получаемыми на ПЭТ.