Очистить моря от нефти станет проще

Химики МГУ разработали простой способ получения материала для очистки морских вод от нефтяных пятен на основе терморасширенного пенографита.

Новая технология позволяет на порядки ускорить процесс получения важного сорбента и сделать его намного безопаснее. Результаты исследования опубликованы в издании Journal of Physics and Chemistry of Solids.

Терморасширенный графит (или пенографит) — макропористый материал по своей структуре являющийся чистым графитом. Шестигранные «соты» из атомов углерода в пенографите, как и в обычном графите, образуют плоскую слоистую решетку, но пачки данных слоев расположены не параллельно, а под разным углом друг к другу. Пенографит обладает относительно высокой удельной поверхностью и очень низкой плотностью (до 1 г/л).

Синтезируют терморасширенный графит из природного кристаллического графита. На первом этапе исходный графит обрабатывают сильными кислотами (азотной или серной) в присутствии окислителя, в результате чего молекулы кислоты внедряются между слоями решетки природного графита. Полученное соединение отмывают и сушат, таким образом получая окисленный графит с кислородосодержащими группами на своей поверхности. Затем материал подвергают резкому нагреванию (т.н. термоудар) до 1000 °C со скоростью 400–600 °C/сек. Благодаря очень высокой скорости нагрева происходит мгновенное испарение воды и остаточной кислоты, за счет чего матрица графитовой решетки расширяется в сотни раз. Образуется очень пористое вещество, способное селективно впитывать органические молекулы, при этом не впитывая воду, благодаря гидрофобности поверхности. Экологическая безопасность, стабильность и высокая скорость поглощения углеводородов делает пенографит перспективным материалом для сбора нефтяных загрязнений с морской поверхности.

При промышленном получении пенографит дополнительно модифицируют, внедряя в него магнитные частицы. Благодаря модификации можно осуществить сбор поглотившего нефть сорбента магнитным полем. Для «намагничивания» окисленный графит пропитывают водными растворами солей железа. Затем при термоударе в пенографите образуются антиферромагнитые частицы оксида железа, которые восстанавливают с помощью газообразного водорода для получения магнитного металлического железа. Правда, использовать водород довольно долго и дорого — процесс восстановления при помощи такой реакции идет не слишком быстро.

Сотрудники Химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова под руководством ведущего научного сотрудника Кафедры химической технологии и новых материалов к.х.н. Артема Малахо усовершенствовали промышленную методику и предложили пропитывать кристаллический графит смешанным раствором соли железа и солей кобальта или никеля. При термоударе в воздушной атмосфере соли разлагаются до оксида железа и оксида металла (никель, кобальт), которые взаимодействуют с образованием магнитного феррита. Новая методика не предполагает использование более дорогого водорода, а образование феррита происходит за несколько секунд.

Один грамм терморасширенного графита поглощает примерно 50 г нефти. По словам Артема Малахо, самый близкий по значениям сорбционной емкости конкурент — полиуретан — собирает до 50 г нефти на грамм вещества. Остальные используемые сорбенты значительно им уступают: опилки, древесина, шелуха — до 8 г/г; мох, торф — до 5 г/г; активированный уголь — до 5 г/г.

Как уточняют авторы, пенографит предназначен для устранения нефтяных пятен, плавающих на водной поверхности, как и большинство применяемых сорбентов. Для удаления загрязнения в толще воды используют биологические методы (бактерии, разлагающие углеводороды), но они достаточно дорогостоящие. Так что над их усовершенствованием ещё предстоит поработать.