Важкі метали у воді
Майже всі процеси в життєдіяльності організму відбуваються за участю води. Саме вода є важливою часткою природи. Але людина своєю згубною діяльністю змінює її хімічний склад. У малі та великі ріки, водоймища потрапляють шкідливі промислові або радіоактивні відходи, які змінюють умови розпаду органічних речовин, збільшують концентрацію азоту, фосфору, металів, отрутохімікатів. Це погіршує якість води, вона втрачає природний колір, смак, загальний іонний склад. Забруднення водоймищ хімічними та радіоактивними речовинами суттєво впливає на різке зменшення прісної води, придатної для вживання. До найбільшого забруднення водоймищ призводять викиди теплових та атомних електростанцій, хімічних та металургійних виробництв. При цьому збільшується вміст міді, кадмію, цинку, хрому, фенолу, ртуті, нікелю.
Варто зазначити, що ртуть, як важкий метал, пригнічує гідролітичні та окисні ферменти, відкладається в нирках, щитовидній залозі, затримується в клітинах мозку, легенях і негативно впливає на їхню нормальну діяльність. Дуже небезпечними є й органічні сполуки ртуті. При хронічних отруєннях порушується нервова система. В медицині сполуки ртуті застосовують у суворому дозуванні.
В основі токсичної дії селену є блокада тіолових груп біологічних субстратів. Його доза в питній воді 0,0001 мг/л не викликає змін в організмі. Але навіть незначні його кон¬центрації призводять до запа¬лення шкіри, запаморочення, втрати нюху. Сполуки селену діють подібно миш’яку, вик¬ликають неприємний запах тіла і рота. А найбільш отруйним з мікроелементів є берилій.
Що ж на нас чекає, якщо їх не виводити з води, не звільняти від них навколишнє середовище? Водоймища перетворяться в "настоянку" на радіонуклідах. Вчені активно розгорнули пошу¬ки ефективних захисних препаратів і почали дослідження у різ¬них напрямках. У малих і великих ріках та водоймищах було ви¬явлено в значній кількості важкі й отруйні метали: берилій (продукт стратегічного виробництва), мідь, кадмій, цинк, ртуть, свинець. І очищення водоймищ від важких металів та розробка препаратів, які б "витягували" їх із води, набули неабиякої ва¬ги. Виникла думка, яка згодом була реалізована — створити адсорбенти, що давали б можливість вилучати токсичні іони з води, повертаючи її у природну, чисту. Що ж це за препара¬ти?
Адсорбент на основі силікагелю — це порошок без будь-якого запаху і смаку, не токсичний і не забруднює води, стійкий і не руйнується. Зовнішній вигляд його як у звичайного піску. Роз¬мір його часточок залежно від матеріалу і технологічного приз¬начення коливається від 0,2 мм до 10,0 мм. Вони можуть бути тонші від сніжинок і набагато товстіші.
Силікагель — це оксид кремнію. Його виробляють у значних кількостях на хімічних заводах (зокрема, на Калушському на Прикарпатті). Він хімічно інертний, та коли його спеціально проактивізувати (здійснити хімічну модифікацію), на поверхні можна утворити спеціальні комплексоутворюючі групи, які здатні взаємодіяти з іонами металів у розчині й вилу¬чати їх. Будь-яке тверде тіло має свою поверхню. В лаборатор¬них умовах саме на цій граничній межі поверхні змінюють хі¬мічний склад і властивості тіла, вводять групи, які потрібні для очищення води. Ці групи починають зв’язувати важкі метали, відбувається селективне очищення води. Можна витягувати з води не тільки берилій чи ртуть, але й інші отруйні метали, але для цього слід змінювати природу "закріплених" на поверхні силікагелю речовин. Залежно від того, який метал адсорбуєть¬ся на такій поверхні, змінюється і колір адсорбенту, що свід¬чить про ступінь забруднення води. Саме за кольором і з’ясовується, який метал знаходиться в питній воді, — мідь чи свинець, ртуть чи берилій, в якій концентрації і взагалі чи є він у водоймищі і чи вар¬то це водоймище очищати.
Активне вивчення силікагелів та їхніх модифікацій у лабораторії хімічного фа¬культету Київського національного університету імені Тара¬са Шевченка розпочалося ще у 1975-1976 роках. Вчені факультету під керівництвом академіка Віктора Васильо¬вича Скопенка провели чис¬ленні дослідження. Спочатку бракувало досвіду, ще тільки народжувалася така наука, як хімія поверхні, не вистача¬ло спеціальної апаратури. І все ж згодом копіткі пошуки увін¬чалися успіхом. На основі силікагелю було створено прилад для виявлення іонів важких металів і встановлення ступеня забруд¬нення води. Автор винаходу - завідуючий кафедрою аналітичної хімії хімічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка, доктор хімічних наук, професор Воло¬димир Миколайович Зайцев. Кишеньковий оптичний сенсор "Електрооптрод" використовувався для перевірки забруднення не тільки водоймищ, але й водопровідної води. Винахід був за¬хищений авторським свідоцтвом.
Як же визначається наявність важкого металу в питній во¬ді чи у водоймищі? Якщо сенсор занурити у ємність з водою, яку набрали з водоймища чи наточили з крана, модифікований силікагель починає нагромаджувати іони металу (мідь чи цезій, ртуть чи берилій, залежно від того, на що прилад налаштовано). Силікагель починає змінювати колір, що свідчить про наяв¬ність важкого металу, і витягує його (відбувається процес очи¬щення). Чистий, природний силікагель в сенсорі використо¬вується як порівняльний. Світло світлодіоду, що горить постійно під час перевірки та очищення води, потрапляє на обидві пластинки із силікагелем, відбивається від них і йде на датчики, які спрацьовують при концентрації токсичного металу вище допустимої норми, і вимірювальний прилад фіксує його конкретну величину. А якщо, як свідчить перевірка, у водойми¬щах різні важкі метали? В озері, наприклад, мідь і кобальт, у ставку чи канаві — ртуть. Водоймища можна забруднити будь-чим. А сенсор реагує лише на конкретний метал. Як ви¬тягти їх з води, зробити її придатною для користування? Озе¬ро чи ставок перевіряють і з’ясовують, чи є там важкі метали, які саме і в якій концентрації. Силікагель модифікують таким чином, щоб він мав змогу ви¬лучати саме той метал, яким забруднено водоймище, і очищати його.
Технологічна розробка сенсорів для вилучення з води важких металів дістала схвальну оцінку. Які ж пере¬ваги сенсорів? Вони не громіздкі, не складні, не дорогі, універсальні. В науковому плані обмеження не існує, в сенсорах можна змінювати насадки, підлаштовувати під будь-які метали. Оскільки світлодіоди (точкове джерело світла, мініатюрна лампочка) і датчики дешеві, заводи напівпровідників мають можливість виготовляти прилади для населення, як індивідуальні. Після тривалих перевірок як матрицю для щеплення різних, найчасті-¬ ше органічних речовин з певними функціональними групами використали природний мінерал діатоміт (оболонка морських черепашок), що діяв аналогічно силікагелю і підвищував економічний ефект.
Цікавість до модифікованих кремнеземів, а особливо до ак¬тивованих матриць на основі функціональних органокремнеземів зростала через перспективи їх використання для різних видів хроматографічного розділення, одержання прищеплених металокомплексних каталізаторів іммобілізова¬них ферментів та інших біологічно активних сполук. Особливо стрімко кремнезе¬ми з хімічно модифікованою поверхнею увійшли в практику ви¬сокоефективної рідинної хроматографії, як із зворотніми фаза¬ми, так і в нормальному фазному варіанті. Почали ширше впроваджувати модифіковані кремнеземні матриці при створенні аффінних (чітко налаштованих під це сполук) сорбентів для виділення та очищення біополімерів (білки, нуклеїнові кислоти). Оскільки очищення річкової та питної води в Україні від радіоактивних ізотопів цезію, особливо після Чорнобильської трагедії, стало надзвичайно важливим завданням, розгорнулися пошуки найефективніших засобів і методів звільнення водоймищ від іонів важких металів та радіонуклідів.
Вчені — доктор біологічних наук, професор Борис Євтихійович Єсипенко (Науково-дослідний інститут фізіології Київ¬ського національного університету імені Тараса Шевченка) та професор Володимир Миколайович Зайцев поглибили вивчен¬ня кліноптилоліту. Про його значимість — поклади його вияв¬лено в США, Японії, Африці, Болгарії — свідчили масштаби добування, що досягали, зокрема в Японії, 5,6 тисяч тонн що¬місяця. Величезні родовища кліноптилоліту знаходяться в Грузії, Туркменії, Азербайджані, Вірменії, на Сахаліні, Камчатці. В Україні ним багате Сокирницьке родовище на Закарпатті. Кліноптилоліт стійкіший до високих температур і агресивних середовищ, має дуже високі сорбційні та фізико-хімічні власти¬вості. Його застосовували для осушування газів, у сіркокисло¬му виробництві, як фільтрувальний матеріал, для поліпшення обмінних властивостей грунту, підвищення ефективності дії добрив, зниження вмісту в грунті іонів важких металів і радіо¬нуклідів, як добавку до кормів у тваринництві. Його здатність сорбувати важкі метали і радіонукліди, зокрема цезій-137 і цезій-134 та стронцій-90, стали основними напрямками досліджень, у яких брали участь вчені Б.Є.Єсипенко та В.М.Зайцев. Під час дос¬ліджень вивчалися фільтрувально-сорбційні та фізіологічні властивості кліноптилоліту, можливості його використання для очищення питної води і виведення радіонуклідів з організму. Клиноптилоліт мав пухку і в той же час стійку кристалічну структуру, утворену тетраедрами окислів кремнію та алюмінію. В порожнинах цих структур знаходилися катіони і молекули води.
Під час вивчення хімічного складу і властивостей кліноптилоліту Сокирницького родовища професор В.М.Зайцев встановив хімічний склад цієї породи (кремній, алюміній, нат¬рій, кальцій, калій, магній, залізо, титан, стронцій, барій, мар¬ганець, мідь, свинець), його натрієво-кальцієву форму. Емісій¬ний спектральний аналіз дистильованої води, яка протягом 72 годин знаходилася в контакті з кліноптилолітом, вказав на від¬сутність негативного впливу сорбенту на якість води. Сольовий склад води після тривалої, протягом місяця, її взаємодії з клі¬ноптилолітом не змінився, а концентрація іонів міді, кадмію, свинцю та амонію в цій воді навіть знизилася. Це свідчило про нерозчинність кліноптилоліту у воді та його нетоксичність. Вияв¬лено його здатність сорбувати радіоактивний цезій. Під час контакту води з водосховища Чорнобильської АЕС з кліноптилолітом протягом 24 годин було встановлено зниження ак¬тивності цезію у воді й 300-кратне концентрування цього раді¬онукліду у фазі сорбенту.
З метою створення ефективнішого фільтра для очищення води вивчалися умови, які забезпечува¬ли найповніше виведення з води важких металів та радіонуклі¬дів. Вчені, зокрема, встановили залежність сорбції радіоактив¬ного цезію від часу контакту кліноптилоліту з водою, величини його гранул, об’єму фільтрувальної води, концентрації цезію та інших іонів у воді. На основі результатів проведених дослідів професори Б.Є.Єсипенко та В.М.Зайцев визначили парамет¬ри завантаження фільтру кліноптилолітом, а також активова¬ним вугіллям, їх об’єм та співвідношення, величину гранул сор¬бенту, швидкість фільтрації і розробили конструкцію фільтра. Вода при фільтрації через шар кліноптилоліту на 30 відсотків очищалася від свинцю, кадмію, міді та інших хімічних елемен¬тів. На виході з фільтра одержували чисту питну воду, яка від¬повідала стандартам. Сортувально-фільтрувальний матеріал підвищував ступінь очищення води від важких металів і майже повністю виводив радіоактивний цезій.
Розроблений на основі кліноптилоліту фільтр для очищен¬ня води дістав назву "ІФКУШ", що означало скорочено наз¬ву організації дослідників професорів Б.Є.Єсипенка та В.М.Зайцева — Інститут фізіології Київського національного університету імені Тараса Шевченка, а пізніше "Алфей". Піс¬ля гігієнічної позитивної оцінки в Республіканському санітарно-гігієнічному центрі Міністерство охорони здоров’я України дало дозвіл на використання фільтра, а Житомирський завод металоконструкцій розгорнув масове виробництво побутових фільтрів для очищення питної води. Авторам розробки профе
сорам Б.Є.Єсипенку та В.М.Зайцеву видали патент Держкомітету України з винаходів і відкриттів. Сокирницький камінь давав можливість пити чистішу воду, звільнену від радіонуклі¬дів, і певною мірою захищав здоров’я.
Володимир Миколайович Зайцев з відзнакою закінчив Київський державний університет імені Тараса Шевченка за спеціальністю хімія, викладач хімії і в університеті пройшов шлях препаратора кафедри неорганічної зімії, аспіранта, молод¬шого наукового співробітника, асистента, доцента, докторанта, професора хімічного факультету. Нині В.М.Зайцев — завіду¬вач кафедри аналітичної хімії хімічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка.
Високий рівень навчально-методичної та наукової роботи В. М. Зайцева засвідчується великим індексом цитування його наукових розробок, наявністю міжнародних наукових грантів, запрошенням провідних вузів світу для читання лекцій, використанням результатів його наукових досліджень у навчальному процесі. Кандидатську дисертацію, а згодом докторську захистив на засіданні Спеціалізованої ради в Київському державному університеті імені Тараса Шевченка. Його стаж науково-педагогічної роботи 20 років. Володимир Миколайович Зайцев підготував п’ятьох кандидатів хімічних наук, здійснює наукове керівництво підготовкою ще шести кандидатських дисертацій аспірантів та пошукачів, підготував відгуки та рецензії на докторські та кандидатські дисертації. З-під його пера вийшло біля 200 наукових праць, дві монографії, 62 статті, надрукованих у вітчизняних та міжнародних журналах. В.М.Зайцев має сім авторських свідоцтв, один патент, дев’ять науково-методичних праць, підготу¬вав програми і цикл лекцій нових навчальних курсів з хімії. Од¬ноосібна монографія В.М.Зайцева “Комплексоутворюючі кремнеземи: синтез, будова та властивості” використовується як базовий підручник при читанні курсу “Хімічні реакції на по¬верхні твердого тіла”.
Володимир Миколайович Зайцев проходив науково-педа¬гогічне стажування в університетах Великобританії за програ¬мою Британської ради та США за програмою Фулбрайт, отри¬мав звання “Соросовський доцент”. Професор В.М.Зайцев був запрошений для читання курсу лекцій в університетах Флоріди, Піттсбурга, Орігона, Вашингтону, Техасу (США) та Кампінаса (Бразилія), виступав із науковими семінарами у хі¬мічних компаніях “Ціанамід”, “Північно-тихоокеанській науко¬вій лабораторії” (США) та університеті Сан-Пауло (Брази¬лія). В. М. Зайцев здійснив керівництво міжнародними науковими проектами і є керівником держбюджетної теми КНУ. Досвідчений педагог і вчений В.М.Зайцев був одним із організаторів та активним виконавцем експерименту, що прово¬диться на хімічному факультеті, щодо створення групп із викла¬данням хімії англійською мовою. В.М.Зайцев неодноразово виступав із доповідями на українських та міжнародних конфе¬ренціях і, зокрема, на Міжнародній конференції у Київському національному університеті імені Тараса Шевченка “Функціоналізовані матеріали: синтез, властивості та застосування”, в ро¬боті якої брали участь 200 вчених із 14 країн світу, зокрема та¬кі всесвітньовідомі вчені, як Жак Фрессар (Франція), Егон Матежевич (США), Йошитака Гушикем (Бразилія), Джон Еванс (Великобританія). Ця конференція одержала підтримку Королівського хімічного товариства Великобританії та Міжна¬родної асоціації Європейського комітету (ІНТАС). Професор В.М.Зайцев — голова організаційного комітету Українсько-американської наукової школи з хімії та фізики поверхні та нау¬кової школи “Комплексні сполуки в аналізі техногенних проце¬сів, об'єктів навколишнього середовища та екологічному каталі¬зі”, член спеціалізованої вченої ради із захисту дисертацій на здобуття наукового ступеня доктора і кандидата хімічних наук за спеціальностями аналітична хімія, неорганічна хімія та фізич¬на хімія, член експертної комісії ВАК України, голова ради НАНУ з проблеми “Аналітична хімія”, голова відділення ана¬літичної хімії Українського хімічного товариства. З метою попу¬ляризації наукових досягнень хімічного факультету професор В.М.Зайцев брав участь у двох науково-пізнавальних програ¬мах українського телебачення “Комп’ютер X". Доктор хімічних наук, професор В.М.Зайцев продовжує дослідження, які до¬воляють проникати в глибину незвіданого.