Пандемия COVID-19 вызвала резкое увеличение производства одноразовых медицинских масок и больничных простыней, изготовленных из полипропилена. Очевидно, что эти полимерные изделия требуют утилизации.

Рис. 1. Использованные хирургические маски и халаты из полипропилена можно не сжигать, а перерабатывать в адсорбирующие материалы. Модифицирование полипропиленовой ткани металлоорганическим каркасом придало ей супергидрофобные свойства с высокой адсорбционной способностью по отношению к различным маслам и нефти, что даёт возможность использовать её для очистки разливов нефти. Результат свидетельствует о большом потенциале функциональной переработки медицинских полимерных отходов для обеспечения экологической безопасности. Рисунок из статьи: Guselnikova O., Semyonov O. et al. Polymer waste surgical masks decorated by superhydrophobic metal-organic frameworks towards oil spills clean-up // Journal of Environmental Chemical Engineering, Volume 10, Issue 2, April 2022, 107105.

Рис. 2. Вид координационной структуры и структуры поверхности пор металлоорганического каркаса на основе цинка. Зелёным цветом обозначены ионы цинка (Zn), синим — азота (N), серым — углерода (С), белым — водорода (H). Поверхность пор — жёлто-серая, контуры элементарной «кристаллической» ячейки — чёрные. Рисунок из статьи: Chun-Ting He, Lu Jiang, Zi-Ming Ye et.al. Exceptional Hydrophobicity of a Large-Pore Metal-Organic Zeolite // J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 7217—7223.

Сотрудники Томского политехнического университета (ТПУ) предложили другой способ переработки полимерных медицинских отходов, который не только не загрязняет окружающую среду, но и даёт возможность получать материалы — суперадсорбенты нефтепродуктов — и использовать их для ликвидации нефтяных разливов. Ведь полипропилен, из которого сделаны медицинские маски и одноразовые простыни, имеет волокнистую структуру, а значит, обладает сорбирующими свойствами, однако недостаточно хорошо впитывает масла и не может их селективно улавливать.

Научная группа под руководством Павла Постникова, доцента исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ, нашла способ модификации исходного материала, чтобы получить требуемые свойства. На полипропилен нанесли металлоорганический каркас простым химическим методом. В результате получился новый материал — супергидрофобная олеофильная ткань, то есть ткань, отталкивающая воду, но отлично впитывающая различные масла, нефть (рис. 1).

Металлоорганические каркасы представляют собой пористые органические соединения, которые состоят из органических лигандов и ионов металлов. Благодаря упорядоченной структуре и высокой пористости металлоорганические каркасы обладают большой удельной поверхностью. То есть они могут впитывать большое количество разнообразных масел и нефти.

В качестве металла исследователи использовали цинк, а в качестве лиганда — производные имидазола. Это существенно важный момент, ведь часто металлоорганические каркасы с супергидрофобными свойствами получают на основе фторсодержащих лигандов. Разработка таких каркасов очень дорогостоящая и затратная по времени. Кроме того, они не очень хороши с точки зрения дальнейшей утилизации и проявляют токсичные свойства при попадании в воду.

Полученных супергидрофобных свойств материала исследователям удалось достичь благодаря особой архитектуре металлоорганического каркаса. Этот высокопористый материал обладает мезопорами размером в десятки ангстрем, равномерно распределёнными по поверхности, в сочетании с нанопорами (рис. 2).

Исследования томские специалисты вели на широком ряде масел, в том числе и на модельных образцах. В экспериментах они смоделировали разлив: смешали дизельное топливо, красители, ржавчину и другие твёрдые загрязнители. Супергидрофобная олеофильная ткань по отношению к широкому спектру масел показала себя эффективной в ликвидации этих загрязнений. Например, адсорбционная способность материала по отношению к прямогонному дизельному топливу превысила 25000 мг/г (то есть грамм разработанного материала адсорбирует 25 г дизеля), эффективность маслоотделения — 99,9%. Кроме того, эксперименты показали, что ткань механически прочная и устойчива к ультрафиолетовому излучению.

Томские химики сумели получить образец олеофильной ткани размером 65 см² — прообраз для потенциального применения материала. Для удаления нефтяного пятна (разлива) на него расстилают сверху ткань и уже через минуту убирают механическим способом, удаляя вместе с ней все нефтяные (масляные) загрязнения и оставляя чистую воду.

Сейчас сотрудники ТПУ и Университета Лилля в рамках совместного русско-французского проекта «Колмогоров» приступают к исследованию функциональной переработки полимерных отходов для создания сорбентов и материалов для энергетической сферы.

Результаты исследования опубликованы в «Journal of Environmental Chemical Engineering».

По информации пресс-службы Томского политехнического университета.

№2, 2022