Российские химики создали материал для удаления опасного канцерогена бензола
Ученые разработали пористый материал, который удаляет из циклогексана до 99,99% канцерогена бензола. Это поможет очищать сырье для химической и фармацевтической промышленности и снижать риск вредного воздействия на работников.
Источник: Андрей Потапов / ИНХ СО РАН. Расположение молекул бензола в узких порах сорбента.
МОСКВА, 13 мая. /Новости науки/. Новый материал на основе цинка и органических молекул удаляет из циклогексана до 99,99% опасного канцерогена бензола. К такому выводу пришли ученые из Института неорганической химии имени А.В. Николаева СО РАН и Даляньского технологического университета, сообщила пресс-служба Российского научного фонда.
Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в Journal of the American Chemical Society.
Циклогексан используют как сырье для производства нейлона. Из него делают ткани, пластмассы и автомобильные детали. Сам циклогексан получают из бензола — кольцевого углеводорода. Но бензол опасен для человека: он может попадать в организм через дыхательные пути и кожу и повышает риск онкологических заболеваний.
Удалять остатки бензола из циклогексана сложно. Эти вещества похожи по строению и физическим свойствам. Поэтому ученые ищут материалы, которые смогут избирательно захватывать именно бензол и почти не трогать циклогексан.
Химики создали такой материал — металл-органический каркас. Это пористые кристаллы, построенные из ионов металла и органических молекул. В новой работе исследователи взяли соли цинка и две сложные органические молекулы, смешали их и нагревали до 100 градусов Цельсия в течение полутора суток.
В результате ученые получили мелкие кристаллы с узкими порами. В этих порах застревают молекулы бензола. Кроме того, внутри пор есть группы атомов, которые дополнительно удерживают бензол и усиливают избирательность материала.
«Секрет избирательности материала заключается в том, что каждая узкая пора в нем идеально вмещает две молекулы бензола. Циклогексан несколько крупнее, поэтому он не влезает в такие щели», — пояснил руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, доктор химических наук Андрей Потапов.
По словам Потапова, компьютерное моделирование подтвердило этот механизм. Захват бензола оказался энергетически выгодным: при нем выделяется дополнительная энергия. Захват циклогексана, наоборот, требовал бы затрат энергии, поэтому материал почти не удерживает это вещество.
Ученые проверили сорбент на смесях бензола и циклогексана в разных пропорциях. Материал удалил до 99,99% канцерогена. При этом его можно использовать повторно: после трех циклов работы он не потерял эффективности.
Разработка может работать не только как поглотитель, но и как детектор бензола. Сам материал под действием ультрафиолета испускает зелено-желтый свет. Когда кристаллы помещают в раствор с бензолом, они начинают светиться в полтора раза ярче, а оттенок становится ближе к зеленому. Это изменение видно даже невооруженным глазом.
Новый материал оказался чувствительнее лучших существующих аналогов. Он выявляет концентрации бензола в три раза ниже тех, которые способны уловить другие поглотители. Это может помочь быстрее обнаруживать утечки канцерогена на химических производствах.
«Разработанный нами материал поможет снизить риск профессиональных онкологических заболеваний у сотрудников химических и фармацевтических производств, связанных с воздействием бензола. Кроме того, он удешевит производство циклогексана за счет более простой и экономичной очистки этого продукта от опасной примеси», — рассказал Потапов.
В дальнейшем ученые планируют создать сорбенты с увеличенным объемом пор. Это должно повысить производительность очистки, но сохранить высокую эффективность удаления бензола.
Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в Journal of the American Chemical Society.
Циклогексан используют как сырье для производства нейлона. Из него делают ткани, пластмассы и автомобильные детали. Сам циклогексан получают из бензола — кольцевого углеводорода. Но бензол опасен для человека: он может попадать в организм через дыхательные пути и кожу и повышает риск онкологических заболеваний.
Удалять остатки бензола из циклогексана сложно. Эти вещества похожи по строению и физическим свойствам. Поэтому ученые ищут материалы, которые смогут избирательно захватывать именно бензол и почти не трогать циклогексан.
Химики создали такой материал — металл-органический каркас. Это пористые кристаллы, построенные из ионов металла и органических молекул. В новой работе исследователи взяли соли цинка и две сложные органические молекулы, смешали их и нагревали до 100 градусов Цельсия в течение полутора суток.
В результате ученые получили мелкие кристаллы с узкими порами. В этих порах застревают молекулы бензола. Кроме того, внутри пор есть группы атомов, которые дополнительно удерживают бензол и усиливают избирательность материала.
«Секрет избирательности материала заключается в том, что каждая узкая пора в нем идеально вмещает две молекулы бензола. Циклогексан несколько крупнее, поэтому он не влезает в такие щели», — пояснил руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, доктор химических наук Андрей Потапов.
По словам Потапова, компьютерное моделирование подтвердило этот механизм. Захват бензола оказался энергетически выгодным: при нем выделяется дополнительная энергия. Захват циклогексана, наоборот, требовал бы затрат энергии, поэтому материал почти не удерживает это вещество.
Ученые проверили сорбент на смесях бензола и циклогексана в разных пропорциях. Материал удалил до 99,99% канцерогена. При этом его можно использовать повторно: после трех циклов работы он не потерял эффективности.
Разработка может работать не только как поглотитель, но и как детектор бензола. Сам материал под действием ультрафиолета испускает зелено-желтый свет. Когда кристаллы помещают в раствор с бензолом, они начинают светиться в полтора раза ярче, а оттенок становится ближе к зеленому. Это изменение видно даже невооруженным глазом.
Новый материал оказался чувствительнее лучших существующих аналогов. Он выявляет концентрации бензола в три раза ниже тех, которые способны уловить другие поглотители. Это может помочь быстрее обнаруживать утечки канцерогена на химических производствах.
«Разработанный нами материал поможет снизить риск профессиональных онкологических заболеваний у сотрудников химических и фармацевтических производств, связанных с воздействием бензола. Кроме того, он удешевит производство циклогексана за счет более простой и экономичной очистки этого продукта от опасной примеси», — рассказал Потапов.
В дальнейшем ученые планируют создать сорбенты с увеличенным объемом пор. Это должно повысить производительность очистки, но сохранить высокую эффективность удаления бензола.
