В феврале на праздновании Дня науки молодые ученые — победители конкурса научных работ КНЦ РАН за 2019 год — получали дипломы и премии. Всего было подано 26 заявок из восьми учреждений Центра. В номинации “Технические науки” победителем стала кандидат технических наук, научный сотрудник ИХТРЭМС Наталья Мудрук за цикл статей “Направленный синтез композиционных материалов на основе фосфатов Ti-Ca-Mg и изучение их сорбционных свойств”. А предшествовала статьям и награде серьезная командная работа над новым, нужным и важным материалом.
Важная встреча
Первое, о чем просит упомянуть Наталья, — обо всей лаборатории и коллегах, потому что работа была командной, без этого в технических науках обойтись практически невозможно!
Наталья Мудрук — научный сотрудник Лаборатории химии и технологии сырья тугоплавких и редких элементов ИХТРЭМС имени Тананаева, в которой трудятся 12 человек.
— В нашей лаборатории четыре группы, каждая занимается своим направлением, но в рамках общей тематики. Если объяснять просто, то мы привязаны к местному сырью и отходам промышленного производства, в которых содержатся редкие и тугоплавкие элементы. Наша задача — сырье изучить, понять, как извлечь ценные элементы, в каком виде и для чего их можно использовать, как применить с пользой для людей и предприятий в целом.
Наталья рассказывает о том, с чего начался проект, и как шла работа на средства гранта, полученного от Российского фонда фундаментальных исследований.
— Идея принадлежит Марине Масловой, главному научному сотруднику Института химии и руководителю гранта Российского фонда фундаментальных исследований, в рамках которого выполнялись исследования. Чтобы осуществить такое масштабное исследование, довести его до финала, необходима слаженная работа многих подразделений института. В задачи руководителя входит разработка так называемого “дизайна” проекта и контроль его этапов, а мы, исполнители, в свою очередь проводим эксперименты и анализируем полученные от аналитиков данные. Итогом становится написание статей в различные научные журналы, которые публикуют последние результаты ученых в этой области.
Работа продолжалась почти два года — в июне 2018 года нам одобрили грант, — и была она совместной с коллегами из Института общей и неорганической химии НАН Белоруссии.
Марина Валентиновна и до начала общего проекта изучала фосфаты титана, их сорбционные свойства и синтез. Белорусские коллеги производили фосфаты кальция и магния, тоже сорбенты, на основе собственного дешевого минерального сырья — доломита. И вот на одной из конференций они встретились и поняли, что изучают сорбционные свойства одой группы веществ, так почему бы не сделать совместную работу над композиционным сорбентом, где будут представлены все три вида фосфатов?
Таким образом, представители двух институтов написали свои части заявки, подали ее и получили грант РФФИ. Причем надо отметить, что тратить большие деньги на добычу сырья никому не пришлось: доломиты в Беларуси лежат буквально “на поверхности”, у нас же титанит отправляют в отвалы как отходы апатит-нефелинового производства. Российские коллеги снабдили белорусских титановой солью, они наших — доломитом. Затем в ходе исследований обменивались письмами, где обсуждали промежуточные результаты — каждый делал свою часть работы.
— Что выяснилось и что получилось в результате практической работы?
— Мы проанализировали известные способы получения наших фосфатов и в результате разработали методы синтеза, позволяющие получать композит — новый продукт, в котором присутствуют как фосфаты кальция и магния, так и фосфат титана. Индивидуальные фосфаты кальция и магния работают в щелочной и нейтральной области, а фосфаты титана — в кислой и нейтральной. У них разные рабочие области рН, а наш композиционный сорбент получился более универсальным. Изучив полученный сорбент, мы поняли, что его состав оказался сложнее, чем если бы мы просто смешали механически три отдельных фосфата.
Надо заметить, что по композиционным сорбентам работает множество ученых, в том числе и за рубежом. Но в основном все исследуют органо-неорганические композиции, а вот неорганику с неорганикой соединяют редко.
Наталья Мудрук рассказала, что большая часть времени ушла на подбор условий синтеза — эксперименты при разных исходных данных: температуре, времени контакта, рН растворов… Ведь ученым нужно не просто получить образец нового сорбента, а разработать такую технологию, в результате которой можно было бы осуществить синтез, не затрачивая массу энерго- и временных ресурсов.
— Мы должны сократить время синтеза, уменьшить по возможности температуру, чтобы он проходил в так называемых “мягких” условиях, иначе и охрана труда, и техника безопасности становятся сложнее, увеличиваются затраты на производство, а значит, и стоимость продукта. В результате мы добились получения композиционного сорбента при температуре в 60 градусов за несколько часов — это для неорганического синтеза очень хорошие условия!
По словам Натальи, они с коллегами разработали сразу два варианта синтеза. Один — гетерогенный, где взаимодействуют твердые и жидкие вещества. Второй — твердофазный, с помощью механоактивации, когда создаются специальные условия и реакции происходят сразу между твердыми исходными реагентами (прекурсорами).
— Почему это хорошо? Потому что отвечает принципам “зеленой химии”. Мы взяли исходные материалы и не получили никаких отходов! То есть при производстве продукта по этой технологии нет жидких стоков, нет остаточных вредных веществ, а безотходное производство – плюс для экономики и для экологии.
Очистить сложное
— Как выглядит композиционный сорбент?
— Неважно, каким методом получен, — выглядит примерно одинаково: белый порошок. Хотя, если дойдет до производства, то потребителям понадобится гранулированная форма: она удобнее при транспортировке, у нее выше скорость фильтрации.
— Для чего именно нужен новый сорбент, какова его практическая польза?
— Во-первых, он сорбирует радиоактивные изотопы стронция, цезия, кобальта и тяжелых металлов. Степень удаления таких катионов у нашего сорбента из известных фосфатных — очень высока.
— В какой промышленной сфере его могут применять?
— Композиционный сорбент позволяет проводить глубокую очистку растворов от токсичных металлов — кадмия, цинка, меди, свинца и кобальта. Эти химические элементы очень вредны для человека, а с ним — очень высокая степень их удаления. Почему? Опять же из-за разных свойств фосфатов, входящих в композит, сорбция проходит по двум механизмам. Интересно и то, что мы при необходимости можем изменить исходное содержание компонентов в зависимости от того, что нам надо очистить: на этапе синтеза можем варьировать состав сорбента для разных целей.
Я думаю, что он может быть востребован промышленными предприятиями, особенно металлургическими, где есть проблема утилизации отходов: сульфатных, хлоридных, нитратных растворов. Ведь мы добивались того, чтобы сорбент работал на растворах сложного состава. При этом производство совершенно незатратное, и мы надеемся, что предприятия обратят внимание на наше открытие и попробуют новый сорбент хотя бы в тестовом режиме.
Наталья Мудрук подчеркивает: “продукт” ученых — это не только практический результат, но еще и публикации в научных журналах.
— Наша работа получила награду потому, что сейчас создание дешевых сорбентов — довольно важная область, новости которой интересуют мировое научное сообщество. И наши статьи приняли к публикации в достаточно рейтинговые зарубежные журналы. Конечно, в этом есть и заслуга всего Кольского научного центра, ведь именно имеющаяся приборная аналитическая база позволила провести это исследование на высоком уровне с использованием многих методов анализа. А для того, чтобы статьи принимали к печати хорошие журналы, мало только желания создавать и изучать новые материалы, нужно еще и подтверждать свои результаты на современном оборудовании.
Место чуду
Наталья Мудрук 12 лет работает в ИХТРЭМС КНЦ РАН после окончания технологического факультета МГТУ по специальности “химия”. Почему же девушка выбрала эту сложную науку?
— Мама и тетя у меня химики, в семье мечтали, чтобы я пошла по их стопам. Но я обожала математику, хотела поступить на физмат… Не получилось, и я из технических наук выбрала химию. О чем нисколько теперь не жалею.
Если сравнивать, то математика — это логика, в ней почти нет места чуду. А вот в химии иногда происходит удивительное! Вот ты предположил, рассчитал, провел эксперимент, а получилось совсем не то, что ожидалось. И тут главное — понять, что же произошло и объяснить, отчего?
Химия — наука, которая заставляет думать. В ней без хорошего эксперимента не будет хорошей публикации, а чтобы сделать хороший эксперимент – нужно особое умение. Ведь даже от того, с какой скоростью ты соединил вещества, будет зависеть конечный продукт. Поэтому химия — редкая наука, где место творчеству есть.
