понедельник, 2 января 2012 г.

Природные полиэлектролиты: возможности и перспективы

Опубликовано с разрешения автора С.Ю. Братской
С.Ю. Братская  Альбом: Химики


Сегодняшний интерес к природным полиэлектролитам выходит далеко за пределы фундаментальных исследований, связанных с углублением понимания их роли в био- и геохимических процессах. Среди наиболее активно изучаемых и применяемых на практике природных полиэлектролитов – полисахариды морских водорослей (каррагинаны и альгинаты), а также второй по распространенности в природе полимер – хитин и его производное хитозан. Уникальность строения, функциональное разнообразие открывают, в сочетании с экологической безопасностью и возможностью направленной химической модификации, практически безграничные возможности применения этих полисахаридов в медицине и биоинженерии, текстильной и бумажной промышленности, катализе, процессах разделения и концентрирования ионов металлов и органических веществ.

В лаборатории сорбционных процессов Института химии ДВО РАН исследования практически по всем этим направлениям ведутся с середины 1990-х годов. Лидирующие позиции как по количеству упоминаний в публикациях лаборатории, так и по широте решаемых с его применением прикладных задач долгие годы сохраняет хитозан. Одни из первых работ в лаборатории, получившие дальнейшее развитие и сохраняющие актуальность сегодня, относятся к разработке флокулянтов для применения в питьевом водоснабжении.

Представление технологии водоподготовки на Международной выставке «ЭКВАТЭК-2004». Слева направо: С. Шварц (Институт полимерных исследований, Дрезден), С.Ю. Братская, Д.В. Червонецкий, Д.В. Маринин Альбом: Химики


Не секрет, что плохое состояние трубопроводов муниципальных систем водоснабжения приводит к тому, что питьевая вода, соответствующая всем санитарным требованиям на выходе со станций водоочистки, после доставки конечному потребителю зачастую имеет неудовлетворительное качество по ряду нормируемых показателей, в первую очередь, по цветности, мутности и содержанию железа. Наличие дефектов трубопроводов не исключает попадания в уже очищенную воду почвенных гуматов, также в водопроводной воде обнаруживаются окислы железа и марганца, остаточные продукты реагентной обработки воды. Низкое качество питьевой воды у конечного потребителя приводит к необходимости доочистки водопроводной воды, что особенно актуально для пищевого производства. Эффективное и безопасное решение проблемы доочистки водопроводной воды было найдено с использованием водорастворимых продуктов на основе хитозана – флокулянта «Хитофлок» и флокуляционной композиции «Инстафлок», применение которых в стандартных водоочистных технологиях позволяет значительно улучшить качество воды, повысить продуктивность водоочистных станций и снизить экологические риски. Важно, что нам удалось пройти полный цикл испытаний и сертификации разработанных флокулянтов для применения в питьевом водоснабжении. Наряду с финансовой поддержкой грантов ДВО РАН в значительной степени этому процессу способствовало получение в 2003 году инновационного гранта INTAS (The International Association for the Promotion of Co-operation with Scientists from the New Independent States of the Former Soviet Union) – международной ассоциации по содействию сотрудничеству с учеными Новых независимых государств бывшего Советского Союза. Сейчас «Хитофлок» и «Инстафлок» для обеспечения качественной питьевой воды используются более чем на 20 предприятиях, в частных домовладениях, коттеджах, в том числе в отсутствие систем центрального водоснабжения и водозабора непосредственно из природных водоемов или скважин.

Зав. отделом сорбционных технологий чл.-корр. РАН В.А. Авраменко у пилотной установки на Чернобыльской АЭС Альбом: Химики


Возможности применения флокулянтов на основе хитозана не ограничиваются питьевым водоснабжением. Не менее эффективно и экономически обосновано может быть их использование для обработки сточных вод, в том числе содержащих ионы тяжелых металлов и эмульсии масло-в-воде. Перспективность промышленного применения хитозана как флокулянта в сочетании со стадией сорбции/фильтрации была подтверждена результатами испытаний в Открытом акционерном обществе «Комсомольское-на-Амуре авиационное производственное объединение имени Ю.А. Гагарина» (ОАО «КНААПО») при очистке высокотемпературных эмульгированных сточных вод. Используется этот метод и для очистки замазученных жидких радиоактивных отходов в Дальневосточном федеральном предприятии по обращению с радиоактивными отходами (ФГУП «Даль РАО») перед стадией селективной сорбции радионуклидов. Высокую эффективность в сравнении с коммерчески доступными и традиционно применяемыми синтетическими полимерами флокулянты на основе хитозана показали и при осаждении коллоидов гидроксидов тяжелых металлов из стоков гальванического производства ОАО КНААПО. В последние 3 года в рамках программы МАГАТЭ с нашим непосредственным участием ведутся испытания флокуляционной композиции «Инстафлок» на Чернобыльской АЭС для извлечения из жидких радиоактивных отходов латексов пылеподавителей, присутствие которых не позволяет перерабатывать такие отходы традиционным способом. Можно с уверенностью сказать, что разработанные на основе хитозана водорастворимые флокулянты «Хитофлок» и «Инстафлок» стали достойной альтернативой синтетическим флокулянтам не только благодаря своей экологической безопасности, но и достигаемым высоким степеням очистки воды при сравнительно низких затратах реагентов, а также возможности увеличения производительности водоочистного оборудования за счет эффективности таких флокулянтов при высоких скоростях фильтрации.

Мобильная установка для очистки воды  Альбом: Химики


Не менее интересным направлением применения полисахаридов, разрабатываемом в нашей лаборатории, является направленная модификация поверхностных свойств материалов, в том числе получение биосовместимых покрытий. В период 2003-2007 годов мы выиграли два гранта НАТО на проведение совместных исследований с Институтом полимерных исследований, г. Дрезден (Германия) и Медицинским центром Университета г. Гронинген (Нидерланды), результатом выполнения которых стали новые способы модификации поверхности с применением хитозана и его комплексов с каррагинаном. Основная область применения таких покрытий – модификация поверхности биомедицинских устройств для предотвращения формирования микробных биопленок. Образование микробных биопленок – широко распространенное явление, наблюдаемое на поверхностях имплантатов и других биомедицинских устройств и приводящее к серьезным инфекционным осложнениям. Процесс формирования биопленки зависит от множества факторов, но, поскольку адгезия бактерий является одним из первых шагов формирования биопленки, создание условий, препятствующих закреплению бактерий на поверхности, может в значительной степени замедлить или полностью ингибировать формирование биопленки.

Оказалось, что существенно снизить адгезию бактерий возможно путем формирования на поверхности биомедицинских устройств слоя хитозана толщиной от 20 нанометров. Скорость образования биопленок на таких поверхностях снижается в 10-20 раз. Еще более впечатляющие результаты были получены при модификации поверхности полиэлектролитными мультислоями хитозана и каррагинана. Принцип формирования мультислойных полиэлектролитных покрытий был предложен в начале 1990-х годов. Он основан на попеременной адсорбции (слой за слоем) катионных и анионных полиэлектролитов на поверхности заряженного субстрата, в результате чего формируются мультислои, архитектура и толщина которых может контролироваться с точностью до нескольких нанометров. Метод получил преимущественное развитие для синтетических полимеров, но именно природные полиэлектролиты имеют наибольший потенциал для применения в области создания функциональных биомедицинских покрытий. Включение каррагинанов в состав хитозан-содержащих биомедицинских покрытий позволяет, во-первых, повысить их гемосовместимость, а во-вторых, обеспечивает возможность контроля топографии поверхности за счет особенностей конформационных состояний этих полисахаридов.

Важной чертой создаваемых методом слой-за-слоем покрытий является экспоненциальный характер роста полимерной пленки хитозан/каррагинан, который в отличие от характерного для большинства синтетических полимеров линейного типа роста, наблюдается для крайне ограниченного числа систем. Вместе с тем именно это свойство обеспечивает формирование плотного покрытия толщиной в несколько сотен нанометров за небольшое количество адсорбционных циклов, что крайне удобно для практического применения. Скорость адгезии бактерий на таких покрытиях снижается в 100-200 раз, что обеспечивает их преимущество над традиционно применяемыми для этих целей щетками гидрофильных полимеров, например, полиэтиленгликоля, получение которых гораздо сложнее технически.

Внедрение в сформированные полимерные мультислойные покрытия различных функционализирующих добавок позволяет существенно расширить области их применения. Так, в последнее время в сотрудничестве со специалистами Института автоматики и процессов управления ДВО РАН на основе комплексов полисахаридов с внедренными рН-индикаторами мы разрабатываем полимерные покрытия для оптической сенсорики паров аммиака и кислот. Очевидно, что возможности использования природных полимеров этим не исчерпываются. Будем работать дальше и надеяться, что впереди нас ждет еще много интересного.

Светлана БРАТСКАЯ,
заведующий лабораторией сорбционных процессов,
доктор химических наук

Комментариев нет:

Отправить комментарий