Новости 24.04.2019

Очистка воды графеном

Очистка воды графеном
Доцент кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных материалов НИТУ «МИСиС» Александр Гусев
НИТУ «МИСиС»

Графен способен очищать воду от сильных загрязнений без дополнительного хлорирования до состояния питьевой. «Захватывая» бактериальные клетки, он формирует с ними достаточно прочные хлопья, которые можно легко извлечь из воды, выяснили ученые из НИТУ МИСиС совместно с коллегами из Тамбовского государственного университета имени Г. Р. Державина и Саратовского государственного университета имени Н. Г. Чернышевского. Отделенный при помощи ультразвука графен можно использовать повторно. Результаты исследования опубликованы в журнале Materials Science & Engineering C.

Графен и оксид графена (более стабильная в коллоидных растворах версия материала) — углеродные наноструктуры, чрезвычайно перспективные для биомедицины. Например, для адресной доставки лекарств на графеновых «чешуйках» и визуализации опухолей. Еще одно интересное свойство графена и оксида графена — способность разрушать клетки бактерий даже без дополнительного использования антибиотических препаратов.

Ученые провели эксперимент: они ввели оксид графена в растворы (питательная среда и физраствор), содержащие культуры кишечной палочки (E. coli), сообщает пресс-служба НИТУ МИСиС. По условиям эксперимента физраствор «моделировал» воду, а питательная среда — человеческий организм. Результаты показали, что оксид графена вместе с живыми и разрушенными бактериями собирается хлопьями внутри растворов. Получившуюся массу можно легко извлечь, и в результате получится жидкость, почти полностью избавленная от бактерий. Если потом обработать извлеченную массу ультразвуком, графен можно отделить и использовать повторно.

В качестве рабочих растворов исследователи выбрали питательную среду для культивирования бактерий (в целом она близка по составу к естественной среде обитания бактерий), а также обыкновенный физраствор, который используют для инъекций. В качестве тестируемой бактериальной культуры использовалась кишечная палочка, модифицированная люминесцирующим агентом для облегчения визуализации экспериментов.

Оксид графена добавлялся в питательный раствор в разных концентрациях — 0,0025, 0,025, 0,25 и 2,5 грамма на литр. Как выяснилось, даже при минимальной концентрации оксида графена в физрастворе (воде) наблюдаемый антибактериальный эффект был существенно выше, чем в питательной среде (организме человека). Ученые считают, что это свидетельствует не о механическом, а о биохимическом характере механизма воздействия: поскольку в физрастворе находится куда меньше питательных веществ, бактерии двигались активнее и чаще «захватывались» чешуйками оксида графена.

Согласно данным флуоресцентного теста, подтвержденным с помощью лазерной конфокальной микроскопии и сканирующей электронной микроскопии, при концентрации оксида графена 2,5 г/л количество бактерий снизилось в несколько раз по сравнению с контрольной группой и стало близким к нулю.

Пока точно не установлено, каким образом происходит дальнейшее уничтожение бактерий. Исследователи считают, что оксид графена провоцирует образование свободных радикалов, которые губительны для бактерий.

По мнению ученых, если такую систему очистки применить для воды, можно будет избежать дополнительного хлорирования. Есть и другие преимущества: у обеззараживания с помощью оксида графена низкая себестоимость, кроме того, эту технологию легко масштабировать до формата крупных городских очистных сооружений.

«Системы очистки на основе оксида графена могут быть как промышленными, так и бытовыми, — рассказал “Стимулу” один из авторов исследования, доцент кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных материалов НИТУ МИСиС Александр Гусев. — Технология наноочистки представляется достаточно гибкой для решения задач разного масштаба. Особенно данные системы кажутся перспективными для быстрой очистки сильно загрязненных вод, например отходов городских очистных сооружений, жидких отходов из лагун крупных животноводческих предприятий или, если говорить о бытовом применении, для очистки содержимого накопителей в системах местной канализации».

После очистки получившиеся комплексы «оксид графена — загрязнители» могут быть подвергнуты процедуре регенерации, после чего оксид графена можно использовать повторно; эти комплексы также могут рассматриваться как субстрат для различных биотехнологических процессов. Очищенную воду можно безопасно использовать для технических целей.

«По сегодняшним расценкам технология получится довольно дорогой: один литр концентрированной водной суспензии оксида графена стоит порядка 3500 рублей, — поясняет Александр Гусев. — Но тут надо понимать, что пока цены определяются в основном особенностями мелкосерийного производства. Если рынок потребует значительного количества данного материала (а системы очистки — большой рынок), то очень быстро цены снизятся в десять, сто раз и более, так как сырьем для получения оксида графена является довольно дешевый графит, а технология производства не очень сложна и затратна. Кроме того, уже разработан целый ряд способов получения графеноподобных материалов из фактически бесплатных целлюлозосодержащих отходов растениеводства, таких как лузга, шелуха и так далее».


Наверх