Відділ вуглецевих адсорбентів медичного та екологічного призначення

Завідувач відділу

 

Пузій Олександр Михайлович

доктор хімічних наук

тел. +380 (44) 452 93 25

факс +380 (44) 452 93 27

e-mail: alexander.puziy at ispe.kiev.ua

 

Посилання на профіль в Google Академія:

https://scholar.google.com.ua/citations?user=F5wdqmoAAAAJ&hl=uk

Посилання на профіль в Scopus:

https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=6603757082

 

Створений  при  заснуванні  Інституту  у  1991  р.  як  відділ  медичних  сорбентів;  з  2012  р.  –  відділ  вуглецевих  адсорбентів  медичного  та екологічного призначення; з 2008 р. відділ очолює доктор хімічних наук О.М. Пузій.

 

Основні наукові напрямки

  • Синтез та дослідженням структури, хімії поверхні, та адсорбційних властивостей нових вуглецевих адсорбентів медичного та екологічного призначення.
  • Одержання високопоруватого активованого вугілля шляхом традиційного фізичного та хімічного активування, а також нетрадиційних методів як гідротермальна та мікрохвильова карбонізації-активація
  • Використання поновлюваної сировини для виготовлення вуглецевих сорбентів, катіонообмінників та вуглецевих каталізаторів — викопного вугілля, сільськогосподарських відходів, відходів целюлозно-паперової промисловості, відпрацьованої поліетилентерефталатної тари.
  • Розробка сорбентів рослинного походження та комбінованих вуглецево-мінеральних сорбентів для екології, медицини та сільського господарства.
  • Розробка нових способів одержання вуглецевих сорбентів на печах киплячого шару, у т.ч. азотовмісних вуглецевих сорбентів (ентеросорбентів, гемосорбентів), сорбентів технічного призначення та одержання кровоспинних матеріалів на основі целюлози і целюлозних матеріалів.

 

Найважливіші наукові досягнення

  • Показана висока каталітична активність модифікованих гетероатомами фосфору вуглецевих адсорбентів медичного призначення у реакції кислотного типу — гідролізу етилацетату та етерифікації оцтової кислоти бутанолом.
  • З використанням природної, екологічно чистої сировини розроблено екологічно безпечні сорбційні матеріали для тривалого постачання мікронутрієнтів в органічному землеробстві.
  • Розроблено процес одержання розсмоктуваного хірургічного матеріалу на основі целюлозних волокон (деревина, бавовна), а також хірургічного імпланту на основі розсмоктуваного целюлозного матеріалу і хірургічної поліпропіленової сітки.
  • Розроблено метод одержання фосфоровмісного вугілля на основі кополімеру 4’-біс(малеімідодифеніл)метану та дивінілбензолу шляхом активування фосфорною кислотою при різних температурах (400-1000 °C). Показано, що одержане вугілля має розвинену порувату структуру (AБЕТ=900 м2/г, Vtot=0,45 см3/г) з розмірами мікропор (0,9-1,1 нм) та мезопор (2-4 нм), містить до 12% фосфору та має великий вміст (1,1-3,2 ммоль/г) сильнокислих поверхневих груп з константами дисоціації близьким до константи дисоціації фосфорної кислоти.
  • Розроблено спосіб одержання активованого вугілля для вилучення йонів металів з водних розчинів. Для одержання активованого вугілля використовують поновлювану сировину, яка є відходом целюлозно-паперової промисловості – лігносульфонат. Спосіб включає активування фосфатною кислотою лігносульфонату. Активоване вугілля має розвинену мікро-мезопорувату структуру з питомою поверхнею 900 м2/г та об’ємом мікропор 0,31 см3/г і мезопор 0,34 см3/г. Велика кількість поверхневих груп 1,9 ммоль/г забезпечує 100% вилучення йонів міді при рН > 2 з водного розчину при вмісті міді 64 мг/г.
  • Розроблено метод одержання високоефективного (AБЕТ=2100 м2/г, Vtot=1,0 см3/г) вуглецевого адсорбенту шляхом хімічної активації фосфорною кислотою сільськогосподарського відходу — качанів кукурудзи. Встановлено високу адсорбційну здатність активного вугілля з кукурудзяних качанів щодо речовин-маркерів (метиленовий блакитний та йод).
  • Розроблено метод одержання вуглецевих адсорбентів шляхом хімічного активування фосфорною кислотою кукурудзяних качанів з допомогою мікрохвильової енергії. Встановлено, що активоване вугілля, отримане за допомогою мікрохвильової активації містить велику кількість поверхневих груп, які відповідають за високу адсорбційну ємність щодо йонів міді. Встановлено, що як порувата структура, так і хімія поверхні, залежать від температури та часу попередньої обробки фосфорною кислотою. Визначено оптимальні умови для одержання вугілля з максимально розвиненою питомою поверхнею, а також з максимальним вмістом кислих поверхневих груп.
  • Встановлено, що протеїни адсорбуються у порах більше 7,3 нм для бичачого сироваткового альбуміну та 6,8 нм для овальбуміну. Ці значення розміру пор близькі до гідродинамічного діаметру молекул протеїнів. Найшвидша та найбільша адсорбція протеїнів спостерігається на вуглецевих адсорбентах з розвинутою поруватою структурою розміром більше ніж 15 нм.
  • Розроблено метод одержання вуглецевих адсорбентів з кизилової кісточки шляхом хімічної активації фосфорною кислотою у полі мікрохвильового випромінювання. Встановлено, що максимальне значення питомої поверхні (ABET=1085 м2/г) та сумарного об’єму пор (Vtot=0,7 см3/г) досягається за короткий час – 3-5 хвилин. Встановлено, що активоване вугілля, отримане за допомогою мікрохвильової активації містить велику кількість поверхневих груп, які відповідають за високу здатність до адсорбції йонів металів.
  • Оптимізовано процес сульфування раніше одержаних зразків вуглецевих сорбентів. Визначено, що процес сульфування доцільно проводити при температурі 180 °C протягом 5 годин, при цьому досягається найбільша кількість поверхневих груп, яка становить 6,20–6,75 ммоль/г. Показана висока каталітичну активність отриманих сульфованих вуглецевих каталізаторів в реакції гідролізу етилацетату та сахарози.
  • Синтезовано вуглецеві каталізатори шляхом активування фосфорною кислотою та сульфуванням різних лігноцелюлозних матеріалів. Показано, що вуглецеві каталізатори на основі лігніну та сахарози мають найбільшу каталітичну активність у реакції синтезу етил трет-бутилового етеру (продуктивність при 120 °C становить 4,3-5,2∙10−6 моль∙г−1∙с−1), що є подібним до активності сульфокатіоніту Amberlyst-15 (5,0∙10−6 моль∙г−1∙с−1). Розрахунок частоти оборотів (turnover frequency) показав найбільшу активність поліфосфатних груп з рК 1,9.
  • Розроблено технологію отримання кровоспинних матеріалів на основі целюлози. У експериментах на лабораторних тваринах, проведених у відділенні експериментальної хірургії Інституту хірургії та трансплантології ім. О.О. Шалімова, показано, що час зупинки кровотеч при розсіченні вени у 7 разів швидше, ніж при використанні звичайної марлі.
  • Розроблено метод одержання кислотних вуглецевих каталізаторів шляхом окиснювальної обробки азотною кислотою та наступного сульфування промислового мікропоруватого вугілля Aquacarb 607C. Показана висока каталітична активність отриманих вуглецевих каталізаторів у процесі гідролізу сахарози (вихід редукувальних цукрів складає 61-63% при тривалості гідролізу 60 хв.).

 

Інноваційні розробки

  • Розроблено спосіб розвинення мезопоруватої структури у мікропоруватому активованому вугіллі Aquacarb з кокосової шкаралупи. Питома поверхня (БЕТ) отриманих зразків вугілля становить 1400 м2/г, питома поверхня мезопор коливається в межах 200-400 м2/г, загальний об’єм пор – 0,7-1,5 см3/г. Завдяки добре розвиненій питомій поверхні, розроблений сорбційний матеріал може бути застосований в медицині (ентеросорбенти, гемосорбент, аплікаційний сорбент) та для охорони довкілля (водопідготовка, очистка стічних вод). Ефективність використання обумовлена значною кількістю мікро- та мезопор, які підвищують адсорбцію та прискорюють дифузію молекул адсорбату, що суттєво покращує сорбційні процеси.
  • Розроблено високоефективний вуглецевий адсорбент на основі відходу сільськогосподарської сировини — качанів кукурудзи. Питома поверхня (БЕТ) отриманих зразків вугілля становить 2100 м2/г, загальний об’єм пор – 1,0 см3/г. Розроблений сорбційний матеріал може бути застосований в галузі збереження та поліпшення стану навколишнього середовища, а саме: в процесах водопідготовки та очистки стічних вод.
  • Розроблено твердий кислотний каталізатор для гідролізу природних сахаридів. Спосіб включає окиснювальну обробку азотною кислотою та наступне сульфування промислового мікропоруватого вугілля Aquacarb 607C. Вихід редукувальних речовин при гідролізі сахарози складає 61-63% при тривалості гідролізу 60 хв.
  • Розроблено нетрадиційний спосіб активування сільськогосподарської сировини в полі мікрохвильової енергії для отримання високоефективних вуглецевих адсорбентів. Максимальне значення питомої поверхні 1140-1250 м2/г для кукурудзяних качанів та 1085 м2/г для кизилової кісточки досягається за короткий час мікрохвильової обробки — 10 хвилин (кукурудзяні качани) та 3-5 хвилин (кизилова кісточка) при потужності мікрохвильового поля 47-120 Вт·хв/(г·мл). Активоване вугілля, отримане за допомогою мікрохвильової активації містить велику кількість поверхневих груп, які відповідають за високу здатність адсорбувати йони міді.
  • Розроблено спосіб одержання активованого вугілля для вилучення йонів металів з водних розчинів. Для одержання активованого вугілля використовують поновлювану сировину, яка є відходом целюлозно-паперової промисловості – лігносульфонат. Спосіб включає активування фосфатною кислотою лігносульфонату. Активоване вугілля має розвинену мікро-мезопорувату структуру з питомою поверхнею 900 м2/г та об’ємом мікропор 0,31 см3/г і мезопор 0,34 см3/г. Велика кількість поверхневих груп 1,9 ммоль/г забезпечує 100% вилучення йонів міді при рН > 2 з водного розчину при вмісті міді 64 мг/г.
  • Розроблено спосіб одержання вуглецевого каталізатора для синтезу етил трет-бутилового естеру (кисневмісна добавка до бензину) етанолу та ізобутилену. Для одержання вуглецевого каталізатора використовують поновлювану сировину – лігносульфонат. Спосіб включає одержання активованого вугілля шляхом активування фосфатною кислотою лігносульфонату з наступним сульфуванням сульфатною кислотою. Вуглецевий каталізатор має розвинену мікропорувату структуру з питомою поверхнею 1140 м2/г та загальним об’ємом пор 0,57 см3/г і містить 2,3 ммоль/г кислих поверхневих груп. Продуктивність вуглецевого каталізатора при 120 °C складає 4,3*10−6 моль л−1 с−1.
  • Розроблено електродний вуглецевий матеріал з гетероатомами фосфору, азоту та кисню для суперконденсаторів. Електродний матеріал одержують активуванням фосфорною кислотою поліімідного кополімеру. Електродний матеріал має питому поверхню 600 м2/г та об’єм пор 0,33 см3/г та містить 11,2 ат% фосфору, 2,8 ат% азоту та 11,8 at% кисню. Гетероатоми фосфору забезпечують стабільну роботу у широкому діапазоні потенціалів до 1,5 В, що підвищує густину накопиченої енергії. Завдяки гетероатомам азоту та кисню накопичення енергії відбувається не тільки внаслідок акумулювання йонів у подвійному електричному шарі, а й завдяки швидким окисно-відновним реакціям з участю поверхневих груп. Електродний матеріал використовується у суперконденсаторах подвійного шару з водним електролітом (1 М H2SO4) для накопичення електричної енергії. Суперконденсатор має ємність 157 Ф/г при навантаженні 0,05 А/г. Електродний вуглецевий матеріал проявляє стабільну роботу при 10000 циклах заряд-розряд з потенціалами 1,5 В при навантаженні 5 А/г. Електродний вуглецевий матеріал може накопичувати 10 Вт*год/кг при потужності 750 Вт/кг.
  • Активоване вугілля «КАРБОН» для наповнення гемосорбційних колонок (одноразових). Активоване вугілля «КАРБОН» призначене для наповнення гемосорбційних колонок для очищення крові поза організмом при: гострій та хронічній нирковій недостатності, печінковій комі та прекомі, біліарному цирозі, при підготовці і після операцій на печінці та жовчовивідних протоках, при гострих отруєннях токсинами різної природи. Активоване вугілля «КАРБОН» є ефективним в терапії ряду токсикозів, викликаних запаленням та розпадом тканин, наприклад, при: перитоніті, панкреатиті, сепсисі, опіках, деяких шкірних та психічних захворюваннях. Гемосорбційні колонки з активованим вугіллям «КАРБОН» пройшли медичні випробування в Білоруському центрі сорбційних методів детоксикації та плазмаферезу (м. Мінськ). Випробування показали на доцільність застосування гемосорбційних колонок з активованим вугіллям «КАРБОН» у поєднанні з іншими методами допоміжної детоксикації при відновлювальній терапії пацієнтів з трансплантованими органами. Активоване вугілля «КАРБОН» є стерильним, апірогенним, не токсичним. За фізико-хімічними властивостями активоване вугілля «КАРБОН» відповідає наступним вимогам і нормам: масова частка золи, не більше 3 %, масова частка активованого вугілля розміром 0,5 -1,0 мм, не менше 90 %, масова частка активованого вугілля розміром менше 0,5 мм, не більше 10 %, адсорбційна ємність по метиленовому блакитному, не менше 180 г/г.
  • Сорбційна кормова добавка СКД-1 для одержання екологічно чистих продуктів харчування. Комбінована сорбційна кормова добавка СКД-1 створена на основі аграрних лігніно-целюлозних відходів, високопоруватого активованого вугілля та вітчизняних цеолітів. Кормова добавка має високу сорбційну здатність по відношенню до ряду шкідливих метаболітів та отруйних речовин: йонів токсичних металів, амонію, органічних забруднювачів і афлотоксинів, є безпечною для тварин, не пошкоджує епітелій ШКТ, проявляє стабільність дії при різних значеннях рН та має низьку вартість. Розроблено дослідно-промислову технологію та відповідну технологічну інструкцію виробництва сорбційної кормової добавки СКД-1 та технологічну інструкцію по її використанню для профілактики хронічних мікотоксикозів у курей.
  • Розроблено модифіковані природні сорбенти як ґрунтові добавки для контролю вмісту корисних мікроелементів в аграрній продукції. Модифіковані природні сорбенти випробувано в лабораторних та польових умовах для контролю вмісту корисних мікроелементів в аграрній продукції. Добавок у ґрунти складають цеоліти модифіковані іонами NH4+, Cu2+, Zn2+ та ін. та доступне на ринку порошкове вугілля. На основі польових експериментів було показано, що протягом першого року використання модифікованих сорбентів відбувається статистично достовірне (рівень достовірності 0,95) збільшення вмісту цинку (в моркві 17-19%, в столових буряках 28-30%) та міді (в моркві 13-23%, в столових буряках (17-19%). Урожайність коренеплодів при цьому збільшується на 13-15% для моркві та 17-20% для столових буряків. На другому році посіву вівса та ячменю на ділянках без додаткового внесення сорбентів відбувається збільшення концентрації цинку і міді на 13-42% для ячменю і 4-9% для вівса порівняно з контрольною ділянкою. Використання в землеробстві мінеральних та мінерально-вуглецевих сорбентів, модифікованих амоніакатами цинку та міді, може бути рекомендовано для покращення якості ґрунтів та збільшення вмісту мікроелементів в продуктах овочівництва та зерні.

 

 

Наукові зв’язки

  1. Університет ім. Марії Склодовської-Кюрі (Люблін, Польща), кафедра хімії полімерів – створення та дослідження вуглецевих адсорбентів на основі полімерів та лігнін-полімерних композицій.
  2. Університет ім. Марії Склодовської-Кюрі (Люблін, Польща), кафедра фізико-хімії поверхні твердого тіла – дослідження адсорбції великих молекул.
  3. Національний інститут вугілля (Ов’єдо, Іспанія) – дослідження фосфоровмісних вуглецевих адсорбентів.
  4. Королівський технологічний інститут (Стокгольм, Швеція), кафедра волокон та технології полімерів – дослідження лігніну як сировини для виготовлення вуглецевих адсорбентів.
  5. Університет Квінсленду, (Брісбен, Австралія), школа хімічної інженерії – дослідження електрохімічної поведінки вуглецевих адсорбентів у суперконденсаторах.
  6. Інститут каталізу, ПАН (Краків, Польща) – дослідження структури вуглецевих адсорбентів методом РФС.
  7. Університет ім. Миколая Коперника (Торунь, Польща) – дослідження структури вуглецевих адсорбентів методом ЯМР.
  8. Університет Брайтона (Брайтон, Великобританія) – дослідження наноструктурованого функціоналізованого вугілля.
  9. Вільнюський університет (Вільнюс, Литва), факультет хімії – дослідження уведення гетероатомів фосфору у вуглецеві нанотрубки.
  10. Інститут некласичної хімії (Лейпциг, Німеччина) – дослідження адсорбції газів при високому тиску.
  11. Інститут фізичної хімії ім. ім. Л.В. Писаржевського НАН НАНУ (Київ, Україна), відділ каталітичних синтезів на основі одновуглецевих молекул – дослідження кислотних каталізаторів синтезу етил трет-бутилового етеру.

 

 

Захист дисертацій співробітниками відділу

2011 – Пузій О.М.Гетероатоми фосфору в хімії вуглецевих адсорбентів, д.х.н. – 02.00.04 – фізична хімія – Інститут хімії поверхні НАН України, Д 26.210.01.

 

 

 

Провідні співробітники відділу

 

 

Сич Наталія Володимирівна

ст.н.с., к.т.н.

Посилання на профіль в Google Академія: https://scholar.google.com.ua/scholar?hl=ru&as_sdt=0%2C5&q=Sych+N.V.&btnG=

Посилання на профіль в Scopus: https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=6603473863

Область наукових інтересів

  • • Синтез високопоруватого активованого вугілля за допомогою фізичної та хімічної активації викопного вугілля, сільськогосподарських відходів (качани кукурудзи, кофейний осад, кокосова шкаралупа  і т.і.)
  • • Отримання катіонообмінників на основі активованого вугілля
  • • Дослідження поруватої структури розроблених адсорбентів
  • • Дослідження сорбційних характеристик розроблених адсорбентів
 

Купчик Лідія Андрівна

ст.н.с., к.т.н.

Посилання на профіль в Google Академія: https://scholar.google.com.ua/scholar?hl=ru&as_sdt=0%2C5&q=Kupchyk+L.A.&btnG=

Посилання на профіль в Scopus: https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=6506967909

Область наукових інтересів

  • • Сорбенти рослинного походження: отримання, властивості, використання;
  • • Комбіновані вуглець-мінеральні сорбенти для екології, медицини та агротехнологій

 

 

Денисович Василь Олексійович

ст.н.с., к.т.н.

Область наукових інтересів:

  • • Процеси активування вугілля на основі рослинних матеріалів
  • • Процеси етерифікації олій та жирів біологічного походження
  • • Хімія целюлози та матеріалів на її основі для хірургії та фармакології

 

 

Список найважливіших публікацій за останні 5 років

 

  • Huang, C.; Puziy, A. M.; Poddubnaya, O. I.; Hulicova-Jurcakova, D.; Sobiesiak, M.; Gawdzik, B. Phosphorus, Nitrogen and Oxygen Co-Doped Polymer-Based Core-Shell Carbon Sphere for High-Performance Hybrid Supercapacitors. Acta 2018, 270, 339–351.
  • Puziy, A. M.; Kochkin, Y. N.; Poddubnaya, O. I.; Tsyba, M. M. Ethyl Tert-Butyl Ether Synthesis Using Carbon Catalysts from Lignocellulose. Sci. Technol. 2017, 35 (5–6), 473–481.
  • Puziy, A. M.; Poddubnaya, O. I.; Sobiesiak, M.; Gawdzik, B. Assessment of the Structural Evolution of Polyimide-Derived Carbons Obtained by Phosphoric Acid Activation Using Fourier Transform Infrared and Raman Spectroscopy. Sci. Technol. 2017, 35 (5–6), 403–412.
  • Puziy, A. M.; Poddubnaya, O. I.; Derylo-Marczewska, A.; Marczewski, A. W.; Blachnio, M.; Tsyba, M. M.; Sapsay, V. I.; Klymchuk, D. O. Kinetics of Protein Adsorption by Nanoporous Carbons with Different Pore Size. Adsorption 2016, 22 (4–6), 541–552.
  • Puziy, A. M.; Poddubnaya, O. I.; Gawdzik, B.; Sobiesiak, M. Comparison of Heterogeneous Pore Models QSDFT and 2D-NLDFT and Computer Programs ASiQwin and SAIEUS for Calculation of Pore Size Distribution. Adsorption 2016, 22 (4–6), 459–464.
  • Puziy, A. M.; Tascón, J. M. D. Carbon Nanotubes: Gas Adsorption Properties. In Dekker Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology; Lyshevski, S. E., Ed.; CRC Press: New York, 2014; Vol. 1, pp 689–697.
  • Myglovets, M.; Poddubnaya, O. I.; Sevastyanova, O.; Lindström, M. E.; Gawdzik, B.; Sobiesiak, M.; Tsyba, M. M.; Sapsay, V. I.; Klymchuk, D. O.; Puziy, A. M. Preparation of Carbon Adsorbents from Lignosulfonate by Phosphoric Acid Activation for the Adsorption of Metal Ions. Carbon 2014, 80, 771–783.
  • Huang, C.; Puziy, A. M.; Sun, T.; Poddubnaya, O. I.; Suárez-García, F.; Tascón, J. M. D.; Hulicova-Jurcakova, D. Capacitive Behaviours of Phosphorus-Rich Carbons Derived from Lignocelluloses. Acta 2014, 137, 219–227.
  • Puziy, A. M.; Poddubnaya, O. I.; Gromovoy, T. Y. Laser Desorption/ionization Time of Flight Mass Spectrometry of Phosphorus-Containing Carbons. Carbon 2013, 53, 405–408.
  • Puziy, A. M.; Poddubnaya, O. I.; Sobiesiak, M.; Gawdzik, B. Structural and Surface Heterogeneity of Phosphorus-Containing Polyimide-Derived Carbons: Effect of Heat Treatment Temperature. Adsorption 2013, 19 (2–4), 717–722.