Ученые Новосибирского государственного технического университета НЭТИ провели синтез криогеля на основе карбоксиэтилхитозана, оценили его адсорбционную способность и потенциал для практического применения в сфере водоочистки. Работа проводится в рамках проекта «Модульные технологии в производстве сырьевых компонентов биополимеров», который реализуется при поддержке программы «Приоритет-2030».
Синтез криогелей карбоксиэтилхитозана проводили с применением криотехнологии, когда реакционную массу, содержащую биополимер и сшивающий агент, помещают в морозильную камеру и выдерживают при температуре от –19 °С до –80 °С на протяжении нескольких суток, во время которых вода замерзает и сшивка биополимерных цепей происходит вокруг кристаллов льда. При этом замерзающая вода формирует макропористый каркас, который после оттаивания льда и удаления воды обеспечивает высокую механическую прочность, эластичность и проницаемость полимерного материала.
Структуру полученных образцов подтверждали методами ИК-спектроскопии, элементного анализа и сканирующей электронной микроскопии. Далее в лабораторных условиях проводили исследования степени набухания и пористости гелей. Как отмечает руководитель проекта кандидат фармацевтических наук Александр Дранников, рост пористости наблюдался с увеличением времени выдерживания и снижении температуры криообработки. Ученый подчеркнул важность подбора оптимальных параметров криопроцесса, которые напрямую влияют на такие характеристики, как удельная площадь поверхности, объем и размер пор. В зависимости от условий параметры конечного продукта могут радикально отличаться и могут быть оптимизированы в зависимости от конечного использования адсорбента.
На следующем этапе ученые оценивали адсорбционную способность криогелей. Образцы помещали в растворы нитрата кобальта и дихромата калия и выдерживали в течение определенного времени, после чего проводили измерения концентрации ионов тяжелых металлов на спектрофотометре для анализа кинетики (скорости) адсорбции.
«По результатам лабораторных испытаний криогель показал высокую эффективность в связывании металлов, что обусловлено его развитой поверхностью и химической структурой. В дальнейшем планируются испытания адсорбента в динамическом режиме, когда очистка воды будет проводиться путем пропускания через слой сорбента. Для эффективного удаления ионов металлов из воды при заданной скорости потока критически важно рассчитать оптимальное количество геля, способствующее эффективному прохождению потока воды и при этом улавливанию ионов тяжелых металлов. Кроме того, будет исследована способность адсорбента к регенерации для многократного использования», — рассказал Александр Дранников.
Ученый подчеркнул, что синтезированный криогель открывает возможности для создания нового поколения сорбционных материалов, сочетающих высокую эффективность, экологическую безопасность и экономическую целесообразность, что делает их востребованными как для решения текущих задач водоочистки, так и для перспективных разработок в области охраны водных ресурсов.
Разработка соответствует целям и задачам нацпроекта «Технологическое обеспечение биоэкономики». Сырьевые компоненты для исследований предоставила новосибирская компания-партнер «Хитополимер», которая занимается производством хитозана и его модификаций.