Резюме НИР, выполненного в рамках ФЦП
"Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на годы.
«итоговое»
Номер контракта: П848
Тема: «Исследование получения наночастиц металлов и оксидов металлов в прямых мицеллах ПАВ и их характеризация физическими методами»
Приоритетное направление: индустрия наносистем
Критическая технология: нано-, био-, информационные, когнитивные технологии.
Период выполнения: гг.
Плановое финансирование проекта: бюджетные средства 3,6 млн. руб.
Исполнитель: ЮЗГУ
Ключевые слова: синтез наночастиц металлов и оксидов металлов, прямые и обратные мицеллы, ионная флотация, гибридная технология получения наноматериалов, отходы ГОК, наночастицы золота, наночастицы магнетита
1 Цель исследования
Цель работы − проведение теоретических и экспериментальных исследований по обоснованию дуалистической модели прямых мицелл ПАВ и дальнейшему развитию теории и практики ионной флотации, позволяющих прогнозировать выбор мицеллярных систем и ПАВ для синтеза наночастиц металлов и их оксидов. Поиск необходимых условий для разработки новых гибридных технологий получения наноматериалов из разнообразных отходов производства, гидрометаллургии и сточных вод. Разработка практических рекомендаций для реального сектора экономики. Применение результатов исследований в образовательном процессе. Оформление статей, докладов и заявок на патенты по результатам исследований.
2 Основные результаты проекта
Проведен аналитический обзор литературы по проблеме синтеза наночастиц неорганических соединений в мицеллярных растворах ПАВ. Показано, что ионы, молекулы добавок и восстановителя могут солюбилизироваться не только на поверхности мицелл, но и внутри гидратированных мицелл. Сделан прогноз о возможности синтеза наночастиц в прямых мицеллах при комнатной температуре и атмосферном давлении без экстремальных физических воздействий. Показана актуальность исследований по обоснованию дуалистической модели прямых мицелл и дальнейшему развитию теории и практики ионной флотации.
Проведено комплексное исследование процесса мицеллообразования в растворах алкиламмоний хлоридов с использованием данных ЯМР 13С, что позволило предложить модель дуалистического строения мицеллы для дальнейшего развития теории мицеллообразования и практического использования прямых мицелл в технологиях получения наночастиц из разбавленных растворов.
Предложена полостная модель процесса ионной флотации, базирующая на сольвофобной теории взаимодействия ионов в растворе, и проведена ее экспериментальная проверка. Модель позволяет точнее прогнозировать селективность ионной флотации в сравнении более сложной моделью американских исследователей.
Сконструирована и изготовлена лабораторная установка для флотоэкстракции и исследована термодинамика и кинетика флотоэкстракции катионного и анионного ПАВ. Процесс флотоэкстракции катионного и анионного ПАВ соответствует кинетики первого порядка, однако адсорбционный механизм процесса различен. Кинетика адсорбции катионного ПАВ контролируется равновесной избыточной поверхностной концентрацией, а анионного – адсорбционным барьером.
На основе полученных теоретических и экспериментальных результатов проведены прикладные исследования по синтезу наночастиц металлов и их оксидов в прямых мицеллярных системах ПАВ.
Разработана методика получения прекурсоров платины методом флотоэкстракции и восстановления в прямых мицеллах с использованием катионных ПАВ различного строения, моделирующая технологию получения наноматериалов из отходов гидрометаллургии. Получен материал, содержащий наночастицы платины на оксиде алюминия, пригодный в качестве катализатора окисления окиси углерода для нейтрализатора выхлопных газов автомобилей.
Материал, содержащий прекурсоры золота, получен путем растворения отходов электронного скрапа в царской водке, флотоэкстракции ПАВ из этого раствора ионов золота в экстракт, его концентрирования с последующим восстановлением до наночастиц.
Разработан метод получения наночастиц оксидов металлов системе прямых мицелл амфифилов с использованием ионной флотоэкстракции для концентрирования ионов из разбавленных водных растворов. В частности, получены наночастицы состава CoFe2O4, NiFe2O4, MnFe2O4 со структурой, близкой к структуре шпинели. Наночастицы имеют максимум распределения по размеру в диапазоне от 4 до 6 нм и на углеродной подложке самоорганизуются в периодическую коллоидную структуру. Исследованы магнитные свойства этих наноматериалов и порошка концентрата Михайловского ГОК.
Разработан новый способ получения магнитного сорбента для очистки воды от нефтяных загрязнений и магнитного ионообменника для удаления радиоактивных загрязнений из почвы и ила.
Синтезированы наночастицы меди восстановлением ионов меди в мицеллярном водном растворе амфифила цетилпиридиний хлорида гидразином в разных условиях. Получаемые наночастицы меди можно использовать для получения хлопчатобумажной ткани с бактерицидными и фунгицидными свойствами. Разработана методика покрытия хлопчатобумажной ткани наночастицами меди. Тестовые испытания по стандартной методике на патогенных грибах Candida и Epidermophyton (инокулюма) подтвердили антимикробные свойства наночастиц меди. Кроме лечения от грибковых заражений, полученная ткань может применяться для антисептической обработки и заживления гнойных ран. Наночастицы меди увеличивают урожай до 20% после предпосевной обработки семян пшеницы.
Для защиты от окисления и агрегирования предложена методика покрытия наночастиц меди полипирролом после получения наночастиц восстановлением ионов меди (II) гидразином в присутствии амфифила полимеризацией пиррола в присутствии перекиси водорода. Из образующейся темно-красной дисперсии выделен порошок темно-красного цвета наночастиц меди, покрытых полипирролом.
По материалам проведенных исследований создано учебно-методическое пособие «Спектроскопия ЯМР 13С и ее применение для изучения мицеллообразования в растворах поверхностно-активных веществ». Создан словарь терминов и понятий по дисциплине «Коллоидная химия». По материалам проведенных исследований создан и опробован в учебном процессе фильм о применении концентрата Михайловского ГОК для очистки воды от нефти. Студент в ходе реализации проекта выполнила выпускную работу и выступила на всероссийской конференции «Ломоносов 2012» с докладом. Получила премию ЮЗГУ за лучшую студенческую работу 2012 г.
3 Охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности (РИД), полученные в рамках исследования
Миргород . Способ получения наночастиц золота из железорудного сырья. Патент РФ № 000 от МПК С22B 11/00. Опубликовано 2011. Бюл.№20.
, Емельянов . Ферромагнитный ионообменник. Патент РФ № 000 от МПК CO2F 1/42. Опубликовано 2012. Бюл.№17.
Миргород . Способ получения наночастиц металлов, защищенных от окисления. Патент РФ № 000 от 01.01.2001, МПК В22F9/24. Опубликовано 2012. Бюл.№12.
4 Назначение и область применения результатов проекта
Результаты, полученные в ходе выполнения проекта, демонстрируют возможность получения разнообразных наноматериалов на основе металлов и оксидов металлов в широкой области применения: конструкционные материалы, катализаторы физико-химических процессов, магнитные материалы с комплексом новых свойств, наноматериалы для использования в медицине и так далее. Результаты исследований могут быть использованы для разработки гибридных технологий получения ценных наноматериалов с одновременной утилизацией отходов производства, гидрометаллургии и сточных вод.
5 Эффекты от внедрения результатов проекта
Внедрение уже запатентованных результатов исследований по данному проекту и по другим, выполненным в Региональном центре нанотехнологий ЮЗГУ, позволяет организовать рентабельное производство наночастиц золота из железорудного сырья, получать дешевый сорбент для сбора нефти и масел, ионообменник, синтезировать катализатор для окисления углеводов молочной сыворотки.
Внедрение гибридных технологий на основе ионной флотации позволит организовать рентабельную утилизацию отходов ГОК, гидрометаллургии, сточных вод предприятий.
6 Формы и объекты коммерциализации результатов проекта
Предложен бизнес-проект и сформулированы технологические рекомендации для производства нанопорошков магнетита и золота из отходов Михайловского ГОК. Проект предлагает к производству новые нанопорошки магнетита и золота диаметром 10-20 нм из отходов ГОК, стоимостью в два раза меньше, чем существующие аналоги. Из нанопорошка золота планируется получать катализатор окисления лактозы молочной сыворотки в лактобионовую кислоту. Лактобионовая кислота востребована на рынке для получения стиральных порошков (содержание до 40 %), консервации человеческих тканей, получения высококачественных кремов для стареющей кожи. Молочная сыворотка после получения творога, сыров часто не используется и сливается в канализацию. Отходы производства ГОК после получения из них магнетита и золота, планируется превращать в ферромагнитный ионообменник и сорбент для очистки воды от нефти. Цена нанопорошка магнетита 500 руб/кг, а золота - 3000 руб/г. Товар: наночастицы золота, катализатор, лактобионовая кислота, сорбент для нефти, ионообменник рассчитан на государственный, корпоративный рынок и рынок населения. Рынок нанопорошков магнетита оценивается в будущем 50 т/год, а золота 100 кг/год. Он непрерывно увеличивается, а спрос на товар полностью не удовлетворяется, т. к. нанотехнологии стремительно развиваются. В настоящее время технология получения порошков разработана из индивидуальных веществ и из их искусственных смесей. Организация производства нанопорошков предполагается на Михайловском ГОК. Для этого необходимо провести НИР и ОКР, используя отходы этого предприятия. Финансирование НИР и ОКР в размере 15 млн. руб. планируется получить от Михайловского ГОК. Затраты будут возвращены в виде отчетов НИР, ОКР, патентов и их сопровождением во время организации производства. Для переработки 1000 т отходов Михайловского ГОК необходимо затратить 40,6 млн. руб. Эта сумма включает НИР, ОКР, покупку оборудования. После внедрения будет получена прибыль 59 млн. руб. При реализации проекта первый риск связан с доведением обогащения отходов по золоту с 35 г/т до 2 – 7 кг/т. Его предполагается преодолеть методами магнитной сепарации с магнитной жидкостью, которая будет получаться на собственном производстве, и флотацией специальными селективными реагентами. Этот риск уменьшает прибыль, а не возможность технической реализации идеи. Второй риск обусловлен интересом криминалитета к получению золота, который обычно исчезает при хорошей организации производства и переводе получения нанопорошка на последней стадии в лабораторию с особым режимом. Таким образом, проектом предусматривается комплексная переработка железной руды Михайловcкого ГОК и молока Курской области. Выполнение проекта в части реализации технологии комплексной переработки отходов Михайловского ГОК рассчитано на 5 лет. Синтез катализатора и производство лактобионовой кислоты из молочной сыворотки представляет собой отдельный проект, интегрированный с предлагаемым проектом.
Руководитель работы
