ВВЕДЕНИЕ. Общая характеристика работы.Диссертация посвящена исследованию закономерностей формирования углеродных материалов в процессе карбонизации клетчатки рисовой

Общая характеристика работы. Диссертация посвящена исследованию закономерностей формирования углеродных материалов в процессе карбонизации клетчатки рисовой шелухи и пшеничных отрубей, изучению способности полученных материалов извлекать ионы токсичных металлов и радиоактивные изотопы из водных сред в зависимости от различных факторов (тип активирующего агента, время сорбции, pH раствора, температура карбонизации), исследованию способности сорбента на основе рисовой шелухи хроматографически разделять биологически активные соединения и селективно выделять фитогормон фузикокцин. В качестве основных физико-химических методов анализа в работе использованы: элементный анализ, газо-хромато-масс-спектрометрия (ГХ/МС), метод БЭТ (определение удельной поверхности), ЭПР-спектроскопия, электронная микроскопия, спектральный анализ, УФ-спектороскопия.

Актуальность исследования. Основные тенденции развития науки и технологий в настоящее время направлены на исследование наноразмерных структурных составляющих вещества и функциональных материалов. Прогресс в данной области возможен лишь при работе на стыке нескольких наук. В настоящее время большое внимание ученых направлено на изучение подобных материалов с целью их дальнейшего применения в биологии и медицине. Именно в данных областях науки прогнозируется наибольший социальный и экономический эффект при внедрении наноструктурированных материалов. Поэтому развитие данного направления в области химической физики, несомненно, является необходимым и важным. Одной из перспективных областей применения таких материалов являются углеродные сорбенты. Нетрадиционным сырьём, которое ещё не нашло промышленного применения, является рисовая шелуха, солома, пшеничные отруби. Углеродные материалы на основе растительного сырья являются дешёвыми легкодоступными сорбентами, отличающимися высокими удельными показателями.

В настоящее время на мировом рынке отсутствуют сорбенты, пригодные для получения биологически активных соединений в производственных масштабах. Существующие сорбенты крайне дороги и предназначены в основном для аналитических целей. Для их применения необходимы сложные и дорогостоящие хроматографические системы. К примеру, 200 мл органического геля октилсефароза 4B-CL фирмы Farmacia, применяемого для разделения биоорганических веществ, имеет стоимость около 500 у.е. с учетом налогов и транспортных расходов. Кроме того, вышеуказанный сорбент обладает рядом других отрицательных характеристик. Проблема заключается в том, что его матриксом является агароза, которая в течение 1-2 месяца эксплуатации в результате атак микроорганизмов и грибков разрушается. Следует также отметить, что агарозный гель механически непрочен и поэтому не может быть использован для получения больших количеств биологически активных соединений. Еще более дорогостоящими являются сорбенты, применяемые для жидкостной хроматографии высокого давления. Например, обычный силикагелевый сорбент имеет стоимость 100 у.е. за 10 мл. При данном типе хроматографии используются крайне дорогие колонки из нержавеющей стали объемом от 5 до 20 мл, предназначенные только для аналитических целей. Таким образом, отсутствие подходящих сорбентов для препаративного получения биологически активных соединений сильно сдерживает широкое внедрение данных соединений в медицине и сельском хозяйстве.

Республика Казахстан занимает одно из первых мест в мире по залежам урановых руд, пластовые воды некоторых нефтяных и угольных месторождений содержат большое количество радионуклидов. Радиоактивное загрязнение может происходить и при разработке некоторых месторождений фосфоритов, чёрных, цветных и благородных металлов. Помимо этого, опасность представляют тяжёлые элементы со специфическими токсическими свойствами, так как, попадая в атмосферу, природные воды, почву, в организм человека, животных и растений, они накапливаются и могут привести к необратимым изменениям в биосфере. В связи с вышесказанным большое значение в области охраны окружающей среды приобретают методы очистки природных и сточных вод от токсичных и радиоактивных элементов.

Одним из эффективных и распространённых методов очистки является метод сорбционного выделения элементов. Для осуществления сорбции элементов не требуется высоких температур, сложного оборудования.

Нетрадиционным сырьём, которое ещё не нашло промышленного применения, является рисовая шелуха (РШ), солома, пшеничные отруби (ПО) и т.д., которые в настоящее время являются отходами сельского хозяйства. Активированный уголь на основе растительного сырья является дешёвым легкодоступным сорбентом, отличающимся высокими удельными показателями. Таким образом, проблема создания конкурентоспособных на мировом рынке отечественных наноструктурированных углеродных сорбентов весьма актуальна как в научном, так и в практическом значении.

Работа выполнялась при поддержке Министерства образования и науки Республики Казахстан, грант по теме: «Карбонизованные сорбенты медицинского назначения» № 01.08.02 от 05.01.2003 и проект МНТЦ «Применение углеродсодержащих материалов для очистки сточных вод» (Проект К-178 от 01.01.2003 г. - по 31 декабря 2005 года).

Целью работы является создание и исследование новых наноструктурных углеродных материалов на основе растительного сырья.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

- установить общие закономерности карбонизации рисовой шелухи и пшеничных отрубей;

- исследовать физико-химические свойства полученных материалов;

- синтезировать и исследовать новые углеродные наноматериалы на основе пшеничных отрубей и рисовой шелухи для сорбции радиоактивных изотопов и токсичных металлов;

- синтезировать и исследовать новые материалы на основе рисовой шелухи для хроматографического разделения биологически активных веществ.

Объекты исследования - основные закономерности формирования наноструктурированной поверхности образцов РШ и ПО и изменение их физико-химических свойств в процессе карбонизации, особенности влияния различных факторов на степень поглощения токсичных элементов и радиоактивных изотопов из водных сред углеродными материалами на основе карбонизованных РШ и ПО, зависимость селективности хроматографического сорбента от температуры карбонизации.

Предмет исследования – углеродные наноматериалы, синтезированные на основе рисовой шелухи и пшеничных отрубей.