Ученые КазНУ разрабатывают новый наноматериал для выявления токсичных соединений в воздухе, воде и почве

Летучие органические соединения (ЛОС) относятся к числу наиболее опасных экологических загрязнителей из-за своей высокой мобильности и трансграничного переноса. В атмосфере они участвуют в фотохимических реакциях, образуя тропосферный озон и аэрозольные частицы, а в водных экосистемах нарушают биогеохимические циклы и накапливаются в пищевых цепях. По данным ВОЗ, ухудшение качества воздуха ежегодно вызывает более 7 миллионов случаев респираторных и сердечно-сосудистых заболеваний.

Даже в низких концентрациях многие ЛОС обладают мутагенными и канцерогенными свойствами, вызывают хронические заболевания и негативно влияют на репродуктивную функцию. Традиционные методы анализа — жидкостно-жидкостная и твердофазная экстракция — требуют токсичных растворителей, сложны и дорогостоящи. Поэтому разработка новых инструментов на основе «зеленых» высокочувствительных сорбентов приобретает особую актуальность.

Разработка и синтез новых металлорганических каркасных структур (MOF) для создания высокоэффективных устройств «Needle Trap» (NTD), способных точно определять концентрации ЛОС в воздухе, воде и почве.

Впервые в рамках проекта будет проведено сравнительное исследование двух типов MOF с одинаковым химическим составом, но различным кристаллическим строением — классического ZnMOF-74 и новой структуры ZnMOF-74a. Расположение ионов цинка в ZnMOF-74a отличается от традиционного MOF-74, что, согласно научной гипотезе проекта, может усилить координацию с крупными молекулами аналитов. Впервые будут глубоко изучены механизмы конкурентной адсорбции на поверхности MOF с построением теоретической модели прогнозирования на основе многокомпонентного уравнения Ленгмюра. Впервые будет создано универсальное устройство пробоотбора, пригодное для всех типов образцов — воздуха, воды и почвы, — способное заменить специализированные приборы.

Проект включает семь этапов: синтез и характеризация MOF; разработка и оптимизация устройства NTD на основе синтезированных MOF; оптимизация параметров пробоотбора для воздуха, воды и почвы; разработка методов термодесорбции и анализа с использованием ГХ-МС; построение теоретических моделей адсорбции и десорбции; валидация точности и чувствительности разработанной методики; апробация на реальных объектах окружающей среды и подготовка руководства пользователя.

ZnMOF-74 и ZnMOF-74a получают методом гидротермального синтеза, их структура характеризуется с помощью рентгенодифракционного анализа (XRD), ИК-спектроскопии, сканирующей электронной микроскопии, термогравиметрического анализа (TGA) и метода БЭТ. Устройство NTD изготавливается путем размещения сорбента внутри иглы из нержавеющей стали 22 gauge. Для проб воздуха применяется активный пробоотбор, для воды — метод Purge & Trap, для почвы — равновесный метод. Анализ проводится методом газовой хроматографии с масс-спектрометрическим детектированием (ГХ-МС), а механизмы адсорбции изучаются на основе расширенной модели Ленгмюра и расчета коэффициентов селективности.

Результаты проекта могут применяться в регионах с острыми экологическими проблемами — Алматы, Астане, Караганде, Темиртау, Усть-Каменогорске и Шымкенте. Исследование будет опубликовано в международных научных базах (Scopus, ScienceDirect, Web of Science), а также планируется получение патента, включенного в базу Derwent Innovations Index (Clarivate Analytics), что усилит международную научно-техническую значимость проекта.

Разработанная технология может применяться на промышленных предприятиях («КазМунайГаз», «Тенгизшевройл», «АрселорМиттал Темиртау», «Казцинк»), а также муниципальными экологическими службами и Министерством экологии и природных ресурсов Республики Казахстан. Это снизит затраты на мониторинг, повысит точность и оперативность контроля загрязнений и положительно скажется на здоровье населения.

Не менее 1 статьи в журналах Q1 Web of Science или с процентилем CiteScore не менее 80 в Scopus; не менее 1 патента, включенного в базу Derwent Innovations Index (Clarivate Analytics); не менее 1-2 статей в журналах, рекомендованных КОКНВО.

Рассчитанный на 36 месяцев (2025-2027 гг.) проект станет одной из первых систематических попыток создания нового поколения инструментов экологического мониторинга на основе MOF в Казахстане. Проект формирует новые знания на стыке материаловедения, аналитической химии, физической химии и экологии, укрепляя международный авторитет отечественной науки.