Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БИОСИЛИФИЦИРОВАННЫХ НАНОТРУБОК

Изобретение относится к технологии получения биосилифицированных (кремнеземистых) наноматериалов и может быть использовано при получении дисперсий и наномодифицирующих добавок для строительных материалов.

В настоящее время в промышленности строительных материалов используют углеродные наномодификаторы, в том числе углеродные нанотрубки. Использование их в качестве модификатора структуры цементных композиций связано с определенными сложностями. Их трудно распределить в объеме бетонной или растворной смеси, так как вводятся они в небольшом объеме. Углеродные нанотрубки плохо смачиваются водой и требуется приготовление суспензии с поверхностно-активным веществом для равномерного распределения углеродных трубок в водной среде. Кроме того, углеродные нанотрубки имеют низкую адгезию к компонентам цементных композиционных материалов, являются инертными по отношению к минералам цементного клинкера и не вступают с ними в химические реакции и соответственно не повышают прочностные показатели цементной системы. Нанотрубки из аморфного кремнезема не имеют таких недостатков, хорошо смачиваются и смешиваются с водой, равномерно распределяясь по объему растворной смеси, химически взаимодействуют с минералами клинкера, увеличивая прочность цементной системы.

Получение же кремнеземистых нанотрубок в настоящее время мало изучено и не освоено.

Известен способ получения сульфидно-мышьяковых нанотрубок посредством бактерии Shewanella [1], которые по экологической безопасности не могут применяться в добавках для цементных композиций.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения нанотрубок из продуктов биоокремнения Байкальских цианобактерий (Штаммы Pseudanabaena sp. 0411 из Котельниковского источника и Leptolyngbyalaminosa 0412 из Змеиного источника) [2].

Согласно предлагаемому методу цианобактерии выращиваются на минеральной среде Z-8 (табл.1). Раствор силиката натрия нейтрализуют 2М HCl до pH 7,0 и смешивают со средой Z-8 в отношении 9:1 и вводят в раствор культуры цианобактерий. Культивирование цианобактерий осуществляют в термостате при постоянном естественном освещении и температуре 36°C, с заменой питательной среды 1 раз в 3 суток. Процесс биосилификации длится 26 суток, по истечении которого остатки питательной среды сливают, культура заливается 30% раствором пероксида водорода и подвергается термической обработке при температуре 70°C. Полученные биосилифицированные нанотрубки заливают дистиллированной водой, промывают и сушат. Толщина биосилифицированных нанотрубок составляет 173-355 нм.

К недостаткам известного способа относятся: длительное время наращивания массы биосилифицированных нанотрубок, что делает их малопригодными для применения в производственных условиях, и большая толщина биосилифицированных нанотрубок.

Задача, положенная в основу заявляемого изобретения, состоит в осуществлении способа получения биосилифицированных нанотрубок, состоящих из аморфного кремнезема, в более короткие сроки и с меньшей их толщиной.

Данная задача достигается за счет того, что получение биосилифицированных нанотрубок, включающее культивирование цианобактерий в растворе силиката натрия, нейтрализованного соляной кислотой и смешанного со средой Z-8, выдерживаемого в термостате с заменой и удалением питательной среды, обработкой раствором пероксида водорода с последующей термической обработкой и промыванием дистиллированной водой, отличается тем, что культивирование цианобактерий производится в питательной среде Z-8, дополнительно содержащей 0,05 г хлорида аммония и соотношением раствора силиката натрия, нейтрализованного 2М HCl и среды Z-8 5:1, в биореакторе при температуре 25°C при постоянном освещении и перемешивании, в течение 10 суток с заменой питательной среды один раз в 2 суток.

Экспериментально было установлено, что изменением соотношения между раствором силиката натрия, нейтрализованного 2М НCl и среды Z-8, можно регулировать толщину кремнеземистого слоя на поверхности цианобактерий в большую и меньшую сторону. На рис.1 представлены полученные биосилифицированные нанотрубки.

Для ускорения роста цианобактерий их культивирование производится в биореакторе при температуре 25°C при постоянном освещении и перемешивании, в течение 10 суток. Более частая замена питательной среды также способствует интенсификации процесса окремнения цианобактерий.

Кроме того, в питательную среду дополнительно вводится хлорид аммония из расчета 0,05 г/л, приводящий к увеличению массы бактерий на 40-50%.

Пример 1. К минеральной среде Z-8 добавляют раствор, полученный нейтрализацией 7,56 г 40%-ного HCl 5,06 граммами силиката натрия до pH 7,0 при отношении 5:1 и вводят в раствор культуры цианобактерий. Культивирование цианобактерий осуществляют в биореакторе при постоянном освещении и температуре 25°C, с заменой питательной среды 1 раз в 2 суток. Процесс биосилификации длится 14 суток, по истечении которых остатки питательной среды сливаются, культура заливается 30% раствором пероксида водорода и нагревается до 70°C. Полученные биосилифицированные нанотрубки промывают дистиллированной водой. Толщина полученных нанотрубок составляет менее 100 нм 2-5 мас.%, от 100 нм до 300 нм 60-70 мас.% и более 300 нм остальные.

Пример 2. К минеральной среде Z-8 добавляют: 0,05 г/л NH₄Cl и раствор, полученный нейтрализацией 7,71 г 40% HCl 5,16 г силиката натрия до pH 7,0 при отношении 5:1, и вводят в раствор культуры цианобактерий. Культивирование цианобактерий осуществляют в биореакторе при постоянном освещении и температуре 25°C, с заменой питательной среды 1 раз в 2 суток. Процесс биосилификации длится 10 суток, по истечении которых остатки питательной среды сливаются, культура заливается 30% раствором пероксида водорода и нагревается до 70°C. Полученные биосилифицированные нанотрубки промывают дистиллированной водой. Толщина полученных нанотрубок составляет: менее 100 нм в количестве 5-10 мас.%, от 100 нм до 300 нм 70-80 мас.% и более 300 нм остальные.

Источники информации

1. Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). August 9, 2005, vol.102, no 32, s.111167-11172.

2. Лихошвай E.B., Сороковикова Е.Г., Белькова Н.Л. и др. Минерализация кремния при культивировании цианобактерий из горячих источников // Доклады академии наук, 2006, т.407, №4, с.556-560.