Лаборатория экологических проблем постиндустриальной агломерации

Лаборатория экологических проблем постиндустриальной агломерации создана в 2022 году, при финансировании грантом Правительства Российской Федерации для государственной поддержки научных исследований, проводимых под руководством ведущих ученых в российских образовательных организациях высшего образования, научных учреждениях и государственные научные центры Российской Федерации (постановление Правительства РФ от 09.04.2010 N 220).

Руководитель

Сотрудники

В лаборатории работают 4 доктора наук, 3 PhD, 8 кандидатов наук, 6 аспирантов, 18 студентов. Ключевые исполнители:

• • Штин Светлана Валенетиновна, кандидат химических наук.

  • Чернуха Александр Сергеевич, кандидат химических наук.

  • Смолякова Ксения Романовна, кандидат химических наук.

  • Ракова Ольга Викторовна, кандидат химических наук.

  • Морозов Роман Сергеевич, кандидат химических наук.

  • Крупнова Татьяна Георгиевна, кандидат химических наук.

  • Гудкова Светлана Александровна, кандидат физико-математических наук – исследователь.

  • Большаков Олег Игоревич, кандидат химических наук.

  • Корина Елена Александровна, PhD.

  • Станкович Весна, PhD.

  • Жеребцов Дмитрий Анатольевич, доктор химических наук.

  • Винник Денис Александрович, доктор химических наук.

  • Манойлович Драган, доктор химических наук.

Работы и результаты

Научные:

• Разработана оригинальная методика формирования силикозоля, насыщенного фотокаталитически активными частицами анатаза с последующим формированием механически устойчивых гранул. Гранулирование осуществляется без использования крупногабаритных установок и дорогостоящих иммерсионных жидкостей. Гранулы композитного фотокатализатора TiO2/SiO2 показали высокую эффективность в окислении красителей. В среднем для гранулированного композитного катализатора константа реакции окисления красителей в 2 раза меньше, чем для нанодисперсного, но за счёт высокой гидравлической крупности гранулированный фотокатализатор легко извлекается из воды после завершения очистки, что позволяет применять его в производственных условиях.

• Получены стеклоуглеродные композиты, для чего были синтезированы органические соли металлов, которые вводились в раствор фенол-формальдегидных олигомеров в N,N-диметилформамиде.  Таким образом, был синтезирован новый материал и были исследованы его электрокаталитические характеристики. Полученные результаты позволяют использовать материал в электрохимическом анализе. Был разработан новый чувствительный, избирательный электрод для точного определения триклозана с субмикромолярным пределом обнаружения. Были достигнуты превосходная повторяемость, воспроизводимость и длительный срок службы подготовленного датчика.

• В ходе работ по формированию композита политриазинимида-диоксид титана (ПТИ-TiO2) нами определены оптимальные условия синтеза, которые позволяют контролировать морфологию композита и получать его в виде наноразмерных структур заданной формы. Морфология получаемых частиц в виде наностержней явялется преимуществом данных материалов так как способствует направленному переносу заряда для применения в катализе и сенсорике. Достоверно установлено, что формируемый материал является композитным. Полученные образцы композита отданы на исследования в качестве накопителя энергии, электрохимического сенсора и фотокатализатора.

• Получены и охарактеризованы образцы нанокомпозитного материала на основе ПТИ-TiO2 гидротермальным способом, где в качестве прекурсора использовался пероксокомплекс титана, взамен токсичного способа производства с использованием хлорида титана. Полученные образцы имеют форму рисовых зерен нанометрового диапазона порядка 300 нм с узким распределением по размерам, также при увеличении содержание политриазинимида в образцах ведет к линейному росту размера частиц. Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод об образовании композита ПТИ-TiO2.

• Разработаны новые фильтрующие материалы с сорбционно-бактерицидными свойствами для очистки жидкостей и газов от высокодисперсных частиц и микробиологических загрязнений. Полученные фильтрационные материалы за счет эффекта фотокатализа обладают улучшенными бактерицидными свойствами при одновременном сохранении сорбционных свойств материала, пригодного для стерилизации жидких или газовых сред и сорбции высокодисперсных частиц, а также предотвращающего вторичное бактериальное заражение фильтрата и загрязнение его органическими веществами. Предложенный метод позволит в перспективе расширить арсенал нетканых материалов экозащитного назначения, обладающих высокими сорбционными свойствами, а также антибактериальной и противовирусной активностью. Полученные сорбционно-бактерицидные фильтрующие материалы содержат нетканый полимерный волокнистый материал с закрепленными на его волокнах высокопористыми наночастицами оксида титана или нитрида углерода. Также получен материал, содержащий композиционное макропористое покрытие из оксида кремния и оксида титана или нитрида углерода. Оптимальный способ получения фильтрующих материалов включает обработку нетканого полимерного волокнистого материала Спанбонд плотностью 45 г/м2 суспензией наноксида титана или нитрида углерода со связующим поливиниловый спирт и кремнезоль в течение 24 часов, промывку дистиллированной водой и последующую сушку. Для исследования материалов использовалась сканирующая электронная микроскопия (СЭМ). Были полученны материалы с покрытием, имеющим макропоры размером от 100 нм до 2 мкм.

• Предложен материал, который можно интегрировать с уже существующими зданиями и инфраструктурой с минимальным воздействием. Для оптимизации эффективности очистки атмосферного воздуха нужно распространение таких покрытий на всех доступных поверхностях зданий. Проведенная оценка рисков для здоровья населения от загрязнения атмосферного воздуха РМ2.5, с учетом содержания всех потенциальнотоксичных элементов, после применения фильтровальных материалов показала, что суммарный неканцерогенный риск снижается с 1.41 до 0.68 (для детей) и с 0.57 до 0.25 (для взрослых) при допустимых значениях HI<1, что существенно снижает риск развития болезней. Также было установлено значительное снижение общего канцерогенного риска (с опасных значений в 10-6 до 10-9).

• Синтезированы микросферы сложной структуры, состоящей из чешуек, размер которых можно регулировать температурным режимом. На основе синтезированных микросфер были успешно получены электрохимические сенсоры, адаптированные для анализа, например, природных водоемов. Образцы оказались электрохимически активными в отношении сулкотриона – широко известного гербицида. Синтезированный материал показал значительное снижение пределов обнаружения сулкотриона при электрохимическом анализе, высокую стабильность и селективность. Тестирование образцов в реальном времени, проведённое в ходе экспериментальной работы, предполагает, что разработанный сенсор имеет большой потенциал для дальнейших исследований: от лабораторного применения до коммерческого использования.

• Получен субмикроструктурированный композитный материал на основе TiO2 и ПТИ с помощью гидротермальной обработки пероксокомплексов Ti в присутствии ПТИ. Из полученного материала был разработан простой и чувствительный электрохимический сенсор на основе твердого полимерного электролита (SPE), модифицированного субмикроструктурированным композитом политриазинимида (TiO2-ПТИ) для обнаружения нитрит-ионов в сточной воде химических производств.

• Изучены фотокаталитические свойства новых фильтрующих материалов, содержащих нетканый полимерный волокнистый материал с закрепленными на его волокнах покрытиями с высокопористыми наночастицами оксида титана или нитрида углерода, а также композиционное макропористое покрытие из оксидов кремния и титан или нитрида углерода. Полученные фильтрующие материалы за счет эффекта фотокатализа обладают высокой каталитической активностью 80-84%.

Инфраструктурные:

• Создание лаборатории мирового уровня по проблемам экологии.

Перспективы практического использования:

• В настоящее время идет адаптация фотоактивных механически устойчивых гранул силикозоля, насыщенного фотокаталитически активными частицами анатаза (TiO2/SiO2) для индустриальных процессов. Ведется масштабирование фотодекструкции загрязяющих вещество – фенолов – на примере сточных вод производства минеральной ваты.

Публикации:

1. Kneževi ́c, S.; Ognjanovi ́c, M.; Stankovi ́c, V.; Zlatanova, M.; Neši ́c, A.; Gavrovi ́c-Jankulovi ́c, M.; Stankovi ́c, D. La(OH)3 Multi-Walled Carbon Nanotube/Carbon Paste-Based Sensing Approach for the Detection of Uric Acid—A Product of Environmentally Stressed Cells// Biosensors. – 2022, 12, 705. DOI: 10.3390/bios12090705

2. T.G. Krupnova, O.V. Rakova, E.A. Shefer, D.P. Semenenko, A.F. Saifullin Domestic energy-saving behavior index as sustainability indicator: Are Russians ready for sacrifices to protect the environment? // Environmental and Sustainability Indicators. – 2022. – 16, 100209 DOI: 10.1016/j.indic.2022.100209

3. Stanković, V.; Manojlović, D.; Roglić, G.M.; Tolstoguzov, D.S.; Zherebtsov, D.A.; Uchaev, D.A.; Avdin, V.V.; Stanković, D.M. Synthesis and Application of Domestic Glassy Carbon TiO2 Nanocomposite for Electrocatalytic Triclosan Detection// Catalysts. – 2022, 12, 1571.  DOI: 10.3390/catal12121571

4. Korina, E.; Abramyan, A.;Bol’shakov, O.; Avdin, V.V.; Savi ́c, S.; Manojlovi ́c, D.; Stankovi ́c, V.; Stankovi ́c, D.M. Microspherical Titanium-Phosphorus Double Oxide: Hierarchical Structure Development for Sensing Applications. Sensors. – 2023, 23, 933. DOI:10.3390/s23020933

5. Rakova O., Krupnova T., Morozov R., Bondarenko K., Udachin V. Microscopic investigation on PM10 and air-cleaning coatings based on nano-TiO2// International Journal of GEOMATE. – 2023, №24, 103. С. – 76-83

6. Aleksandar Marković,Slađana Savić,Andrej Kukuruzar,Zoltan Konya,Dragan Manojlović,Miloš Ognjanović,Dalibor M. Stankoviс Differently Prepared PbO2/Graphitic Carbon Nitride Composites for Efficient Electrochemical Removal of Reactive Black 5 Dye// Catalysts - 2023, 13 (2)DOI 10.3390/catal13020328 

7. Olga Rakova, Tatyana Krupnova, Roman Morozov, Kirill Bondarenko, Valerii Udachin Microscopic Investigation On Pm10 And Air-Cleaning Coatings Based On Nano-Tio2// International Journal of GEOMATE 2023, 24 (103) DOI:10.21660/2023.103.3731

8. Elena Korina, Anton Abramyan,Oleg Bol’shakov,Vyacheslav V. Avdin, Sladjana Savi´c, Dragan Manojlovi´c, Vesna Stankovi´c,Dalibor M. Stankovi´c Microspherical Titanium-Phosphorus Double Oxide:Hierarchical Structure Development for Sensing Applications// Sensors 2023, 23 (2) DOI:10.3390/s23020933

9. Roman Morozov, Dalibor Stanković, Viacheslav Avdin, Dmitri Zherebtsov, Mikhail Romashov, Anastasia Selezneva, Daniil Uchaev, Anatoly Senin, Alexander Chernukha The Effect of Rare-Earth Elements on the Morphological Aspect of Borate and Electrocatalytic Sensing of Biological Compounds// Biosensors 2023, 13 (10) DOI:10.3390/bios13100901

10. Korina Elena,Heintz Natalya,Grafov Oleg,Adawy Alaa,Abramyan Anton,Bol'shakov Oleg Molten salt Cu(I) intercalation into the poly(triazine imide) for the electrochemical sensing of nitrite// Applied Polymer DOI:10.1002/app.54537

Мероприятия:

Региональный научный форум «Решение экологических проблем постиндустриальной агломерации: наука, практика, обучение» прошедший 9 декабря 2022 года в ЮУрГУ привлек специалистов, работающих в разных областях науки связанной с изучением окружающей среды. Неподдельный интерес вызвали новые подходы в аналитической химии, новые материалы и методы очистки воздуха. Проведена своего рода перекличка специалистов и обсуждены перспективы развития мониторинга экологической обстановки в г. Челябинске. По итогам дискуссии ключевых экспертов в области экологии была составлена дорожная карта совместных исследований и основные способы взаимодействия. Сформулированы приоритеты. Форум обещает стать главным регулярным научно-исследовательским событием региона в области экологии.

Сотрудники лаборатории приняли участие в IX Международной конференции «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества» (Суздаль с 03.10.2022 г. по 07.10.2022 г.).

Оборудование:

1. Микроскоп сканирующий электронный  JEOL JSM-7001F;

2. Потенциостат-гальваностат P-150X;

3. Бипотенциостат-бигальваностат FRA CS2350;

4. Шкаф сушильный вакуумный VAC-24, Stegler в комплекте с насосом вакуумным 2VP-2 масляный, Stegler;

5. Центрифуга многофункциональная K242;

6. Термостат жидкостный низкотемпературный КРИО-ВТ-12;

7. Муфельная печь ПМ-1200АВ.

Видеолекции:

Контакты:

Авдин Вячеслав Викторович, avdinvv[at]susu[dot]ru

Большаков Олег Игоревич, bolshakovoi[at]susu[dot]ru