Студенты алтайского политеха разрабатывают сорбенты и красители из маньчжурского ореха

В Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова сразу несколько научных работ касаются плодов маньчжурского ореха. С помощью скорлупы и околоплодника студенты пробуют очищать растворы металлов и окрашивать ткань.

Модификации 

Даниил Воронин, студент четвёртого курса АлтГТУ по направлению «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии», работает над темой очистки сточных вод от ионов никеля при помощи скорлупы маньчжурского ореха.

«Мы делаем сорбенты на основе растительного сырья, которое является отходом. В теории это позволит удешевить процесс очистки воды», — пояснил Даниил Воронин.

Другие орехи в качестве сорбентов описаны в научной литературе: уже используются грецкий, кедровый. Барнаульцы решили попробовать применить подобные технологии на маньчжурском.

— У научного руководителя есть дерево маньчжурского ореха, с него и берём плоды. Скорлупу измельчаем, отделяем от ядра, просеиваем и получаем нативный, то есть необработанный материал. Отбираем фракцию 2–4 мм, так как именно такая фракция угля или грецкого ореха обычно используется в очистке воды. В дальнейшем этот материал мы различным образом модифицируем. Для этого используем термические и химические способы, — рассказал молодой учёный.

В одной из пробирок — посветлевшая скорлупа, модифицированная перекисью водорода. В другой — образец, прошедший пиролиз и гидролиз, то есть по сути уголь, который несколько часов кипятили в серной кислоте малой концентрации. По словам Даниила Воронина, это нужно для повышения пористости: благодаря порам в сорбенте задерживаются опасные примеси.

«Для получения угля мы используем установку для пиролиза — это нагрев без доступа кислорода. Мы рассматривали гидролиз и пиролиз по отдельности, но именно такой материал, прошедший два этапа обработки, продемонстрировал наилучшие адсорбционные свойства. Перекись водорода показала не самый хороший результат, хотя о её применении с подобным сырьём мы читали в научной литературе. Поэтому мы продолжили исследования с другими вариантами модификаций: фосфорной кислотой, например», — пояснил студент.

Эффективность полученных материалов проверяют на модельных растворах с ионами никеля.

— В течение 30 минут на шейкере мы перемешиваем раствор с сорбентом, затем сравниваем, какая концентрация ионов никеля была до сорбции и после неё. Используя формулы, понимаем, чему равна сорбционная ёмкость данного материала. Лучший показатель пока достигает 15 мг/г, то есть 15 мг ионов никеля сорбируются одним граммом данного сорбента. Это соизмеримо с результатами скорлупы грецкого ореха, но до угля немного не дотягивает, — оценил промежуточные итоги Даниил Воронин. — Мы ещё исследуем другие модификации, ищем новые, пробуем, смотрим, как улучшить результат. Базово, без модификаций, сорбционная ёмкость скорлупы — около 10 мг/г.

Исследования продолжаются и по другим металлам: так, уже на начальных этапах исследований выяснили, что сорбция меди заметно лучше, чем никеля. Среди идей — изучить, как будут задерживаться на материале хром, кобальт и в целом тяжёлые металлы, от которых особенно важно очищать воду.

«Также исследуется нефтеёмкость материала из скорлупы маньчжурского ореха. И если с ионами никеля лучше всего себя проявил материал после гидролиза в серной кислоте и последующего пиролиза, то с нефтепродуктами — материал, обработанный фосфорной кислотой и пиролизом, — добавил Даниил. — Материал, хорошо проявивший себя на никеле, в нефтепродуктах показал результаты даже ниже, чем нативный».

Как в Краснодаре 

Используют в исследованиях и околоплодник, то есть мякоть вокруг ореха. Получается, что один орех студенты разбирают по частям на несколько научных работ.

— Можно ещё само ядро отдать пищевикам, чтобы они пекли пироги, — пошутили молодые учёные. — Но им это неудобно: пригодной в пищу части здесь очень мало по сравнению с тем же грецким орехом.

Технологию извлечения красителя из околоплодника маньчжурского ореха прорабатывает студент четвёртого курса АлтГТУ Тимофей Евтеев.

«Технология не новая: известно, что в околоплоднике есть компоненты, которые придают окраску материалам. Но мы попытались сделать краситель на сырье, произрастающем в Алтайском крае, чтобы проверить, насколько эта технология подходит для местных условий, можно ли её адаптировать для окраски бумаги, ткани, применить в пищевой промышленности. Чтобы получить краситель, нужно сначала измельчить околоплодник в мелкий порошок. Потом его нужно экстрагировать. В нём очень много клетчатки и других примесей, которые в данном случае нам не нужны. Мы использовали разные виды экстрагентов и выяснили, что вода лучше всего „вытягивает“ краситель. Всё остальное остаётся в осадке. Воду с растворившимся красителем мы отделяем от осадка, высушиваем и получаем порошок чистого красителя. Пробовали использовать разное сырьё: созревший орех, который собрали осенью, и зелёный, так называемой молочной спелости. Во втором случае мы получаем окраску более светлую, с зеленоватым оттенком. А краситель из спелого материала — более темного, насыщенного цвета», — рассказал научный руководитель Владимир Сомин, заведующий международной кафедрой ЮНЕСКО «Инженерная экология» АлтГТУ.

Краситель состоит из нескольких компонентов, и на разных стадиях спелости преобладают те или иные вещества. Это тоже известный факт, в вузе подтвердили его своими результатами. Орехи произрастают в разных природных зонах и могут по-разному накапливать красители. Сравнение и является элементом научной новизны.

— Мы получили примерно одинаковые данные с исследованиями, которые проводятся в Краснодарском крае: у них и у нас процент выхода красящего сырья 1–3%, и это довольно неплохо, — отметил Владимир Сомин.

Чтобы проверить стойкость красителя, им обработали хлопчатобумажную ткань, получился трендовый бежевый цвет. Лист бумаги с кругами, закрашенными этим красителем, закрепляли на окне на солнечной стороне на три месяца. Образцы не выцвели.

Также красители стойкие к химическим реагентам — кислотам, щелочам и солям. Теперь учёные АлтГТУ хотят проверить, будет ли изменяться окраска через год-два после нанесения.

Акцент 

По вкусу и полезным свойствам маньчжурский орех похож на грецкий. Поэтому во многих исследованиях к нему пробуют применять технологии, отработанные на грецком орехе.