Автомобильные перевозки, металлургия и агрохимия – работа этих и ряда других отраслей приводит к попаданию в почву тяжелых металлов, в том числе свинца и меди, которые приводят к накоплению токсичных соединений в растениях и снижают урожайность сельхозкультур. Для очистки почвы можно использовать древесный уголь (биоуголь), который впитывает металлы благодаря пористой структуре. Однако его поглотительная способность достаточно низка из-за маленькой площади поверхности, которой он взаимодействует с загрязнителями.
Улучшить свойства биоугля можно за счет присоединения к его частицам веществ, формирующих дополнительные поры и активно связывающих металлы. Ученые из Южного федерального университета предложили использовать для этой цели метал-органические каркасы- высокопористые полимеры, состоящие из ионов металлов, которые соединены между собой органическими молекулами. Благодаря высоким впитывающим характеристикам соединения с такой структурой используются для поглощения и разделения газов, в том числе улавливания CO2. Размер пор и химические свойства металл-органических каркасов можно легко менять, варьируя их компонентами.
Авторы создали композит, используя металл-органический каркас на основе железного порошка и органической кислоты, а также биоуголь из соломы пшеницы. Для получения нанокомпозита его компоненты выдерживались и смешивались в течение 20 минут при температуре 120 градусов Цельсия. Последующий анализ композита показал, что металл-органический каркас в шесть раз увеличил площадь поверхности биоугля за счет дополнительных пор.
Ученые провели эксперимент, внеся нанокомпозит в образцы почвы, загрязненные свинцом и медью. В качестве контрольного образца использовался биоуголь, в структуру которого не вводился металл-органический каркас. Оказалось, что нанокомпозит удаляет до 99% тяжелых металлов при их высокой концентрации, тогда как эффективность биоугля в этих условиях составляет лишь 82%.
Помимо большого количества пор, более высокая эффективность нанокомпозита связана с двумя факторами: металлы образуют комплексы с кислородсодержащими группами в составе металл-органического каркаса, при этом между железосодержащими центрами в композите и загрязненной почвой происходит обмен катионами (положительно заряженными частицами металлов). Это обеспечивает надежную фиксацию загрязнителей в порах нанокомпозита.
«В дальнейшем мы планируем изучить эффекты долгосрочного применения нашего нанокомпозита. Также мы хотим повысить функциональность материала, а именно создать на его основе платформы для доставки в растения различных полезных биодобавок, например, гуминовой кислоты или ауксинов, чтобы повысить выживаемость растений в условиях засухи», – цитирует Южный федеральный университет кандидата химических наук Владимира Полякова.
