Исследование сорбционных свойств углеродных нанотрубок для очистки воды от неорганических примесей

DOI:

Известно, что углеродные нанотрубки имеют уникальные сорбционные характеристики [8]. Это связано в первую очередь с очень высокой удельной поверхностью, присущей данным структурам. Поверхность углеродной нанотрубки (кроме того, что имеет уникальные сорбционные свойства) обладает большим количеством двойных углеродных связей. Наличие последних дает возможность к взаимодействию с разнообразными молекулярными комплексами, улучшающими сорбционную способность УНТ. Это позволяет применять их в качестве сорбентов для очистки вод от вредных примесей, так как употребление воды с несоответствующим нормам солевым составом может способствовать развитию различных заболеваний. Помимо этого, от использования жесткой воды может сломаться потребляющая воду бытовая техника [1].

Проведя анализ современных фильтров для очистки воды, можно заметить общий недостаток – они очищают воду только от определенного типа загрязнений. Для достижения наилучшего результата нужно провести многоступенчатую процедуру с помощью разных видов фильтров, что очень ресурсоемко и занимает довольно много времени. Углеродные наноматериалы позволят решить данную проблему.

Они могут быть использованы в качестве фильтров, причем так же, как в случае адсорбции, свойства фильтров могут быть направленно изменены присоединением различных функциональных групп. Гидрофобная природа углеродных нанотрубок определяет их слабое взаимодействие с молекулами воды, создавая условия для ее свободного протекания. Известны попытки анализа использования углеродных нанотруб в качестве филь- тров для очистки водно-этанольных смесей от токсичных примесей [3], а также – исследования по очистке воды от патогенных микроорганизмов (простейших, бактерий, вирусов) [7] и органофосфорных пестицидов из водных образцов [6].

Выполнены теоретические расчеты некоторых неорганических примесных молекул, содержащихся в воде, методом DFT. Для анализа были выбраны наиболее распространенные неорганические вещества, которые чаще других встречаются в питьевой воде [2; 4; 5]:

• –    хлорид кальция CaCl2, хлорид магния MgCl₂, хлорид натрия NaCl;

• –    карбонат кальция CaCO₃, карбонат магния MgCO₃;

• –    сульфат кальция CaSO₄, сульфат магния MgSO₄.

Исследованы процессы адсорбционного взаимодействия выбранных неорганических примесных молекул к поверхности однослойных углеродных нанотрубок типа (6,6). Полученные расчеты показали, что данный радиус кривизны углеродных наноструктур обеспечивает возможность активного адсорбционного взаимодействия с неорганическими молекулами за счет одноцентрового перпендикулярного взаимодействия, позволяющего реализовывать множественную адсорбцию. Данное свойство позволяет делать выводы о том, способна ли УНТ эффективно очистить воду от вредных примесей.

Процесс адсорбции моделировался пошаговым (равным 0,1 Å) приближением неорганических молекул к поверхностному атому углерода нанотрубки. Геометрическая структура системы оптимизировались на каждом шаге, после чего были построены энергетические кривые системы полученных комплексов. После анализа энергетических кривых установлены геометрические и энергетические особенности адсорбционного взаимодействия.

Некоторые модели адсорбционного взаимодействия углеродной нанотрубки с неорганическими молекулами представлены на рисунке 1.

Рассчитаны энергетические кривые взаимодействия при оптимизации поверхности нанотрубки (рис. 2–8). Основные геометрические и энергетические параметры адсорбции приведены в таблице.

Установлено, что адсорбция реализуется для всех случаев взаимодействия углеродной нанотрубки с неорганическими молекулами. Это иллюстрируется наличием минимумов на кривых, находящихся в области отрицательных значений.

Таким образом, выполненные квантовохимические расчеты доказали факт адсорбционного взаимодействия углеродной нанотрубки с неорганическими примесными молекулами воды. Углеродные нанотрубки могут использоваться в качестве фильтров для очистки воды от примесных неорганических веществ.

а

Рис. 1. Модели адсорбционного взаимодействия УНТ с неорганическими молекулами: а – с карбонатом кальция CaCO₃; б – с карбонатом магния MgCO₃

б

Рис. 2. Энергетическая кривая взаимодействия системы «УНТ – CaCl2»

Рис. 3. Энергетическая кривая взаимодействия системы «УНТ – CaCO3»

Рис. 4. Энергетическая кривая взаимодействия системы «УНТ – CaSO4»

Рис. 5. Энергетическая кривая взаимодействия системы «УНТ – MgCl2»

Рис. 6. Энергетическая кривая взаимодействия системы «УНТ – MgCO3»

Рис. 7. Энергетическая кривая взаимодействия системы «УНТ – MgSO4»

Рис. 8. Энергетическая кривая взаимодействия системы «УНТ – NaCl»

Основные параметры адсорбционного взаимодействия углеродной нанотрубки (6,6)

с неорганическими примесными молекулами воды

Примесные молекулы	r, Aº	E ад , еV
CaCl 2	3,0	– 2,43
CaCO 3	2,6	– 1,29
CaSO 4	2,6	– 1,08
MgCl 2	3,1	– 0,29
MgCO 3	2,2	– 1,4
MgSO 4	2,2	– 1,62
NaCl	2,4	– 0,92