Защита диссертации Алтынбаевой Лилии Шарифулловны на соискание степени доктора философии (PhD) по специальности «8D05306 - Химия»
В Евразийском национальном университете имени Л.Н. Гумилева состоится защита диссертации на соискание степени доктора философии (PhD) Алтынбаевой Лилии Шарифулловны на тему «Исследование каталитических и сорбционных свойств композитных материалов на основе полимерных трековых мембран и микроструктур меди» по специальности «8D05306 – Химия».
Диссертация выполнена на кафедре «» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева.
Язык защиты - на русском
Рецензенты:
Нечаев Александр Николаевич
Зазыбин Алексей Георгиевич
Временные члены Диссертационного совета:
Копишев Эльдар Ертаевич - кандидат наук, Евразийский национальный университет имени Л.Н. Гумилева, Заведующий кафедры
Гавриленко Михаил Алексеевич - доктор наук, профессор, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, профессор
Байкенов Мурзабек Исполович - доктор наук, профессор, Карагандинский государственный университет имени Е.А. Букетова, профессор
Аубакиров Ермек Айтказынович - доктор наук, доцент, Казахский национальный университет им. Аль-Фараби, Заведующий кафедры
Ефремов Сергей Анатольевич - доктор наук, профессор, Казахский национальный университет им. Аль-Фараби, профессор
Токпаев Рустам Ришатович - доктор наук, профессор, Казахский национальный университет им. Аль-Фараби, Заведующий лабораторией
Научные консультанты:
• Джакупова Жанар Ерекеевна – Доцент кафедры химии НАО «Евразийский национальный университет им. Л. Н. Гумилева», кандидат химических наук, доцент, г. Астана, Республика Казахстан; • Машенцева Анастасия Александровна – Заведующая технологической лаборатории трековых мембран Астанинский филиал РГП на ПХВ «Институт ядерной физики» Министерства Энергетики Республики Казахстан, РhD, профессор, г. Астана, Республика Казахстан
Murat Barsbay – PhD, профессор кафедры химии, факультет науки, «Университета Хаджеттепе», г. Анкара, Турция
Защита состоится: 17 апреля 2024 года 15:00 часов в Диссертационном совете по направлению подготовки кадров «8D053 – Физические и химические науки» по специальности «8D05306 – Химия» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева. Проведение заседания диссертационного совета в онлайн формате.
Ссылка: https://rb.gy/0ym9rp
Адрес: Microsoft Teams платформасында
Аннотация (рус.): Общая характеристика работы. Диссертационная работа посвящена изучению особенностей химического темплатного синтеза композитных трековых мембран (КТМ) на основе микротрубок (МТ) меди с использованием различных типов восстановителей, созданию на их основе многокомпонентных композитов с целью получения высокоэффективных катализаторов и сорбентов для очистки водных сред от различных классов загрязнителей. Диссертационная работа представлена в форме серии статей, опубликованных докторантом согласно требованиям пункта 5-1 Правил присуждения степеней, утвержденных приказом Министра образования и науки Республики Казахстан от 31.03.2011 года №127 (зарегистрирован в Реестре государственной регистрации нормативных правовых актов под № 6951) с изменением, внесенным приказом Министра образования и науки РК от 30.04.2020 года №170 и в соответствии с приказом №7 и.о. Министра науки и высшего образования Республики Казахстан от 09.01.2023 года. Актуальность темы. Уникальные свойства наноразмерных материалов (НМ), их реакционная способность и эффективность характеризуются высоким потенциалом в сравнении с традиционными подходами в поверхностных явлениях. Модифицированные активными функциональными группами НМ придают дополнительные специфические свойства и влияют на функциональные характеристики материала. В частности, потенциал применения КТМ на основе микро- и наноструктур меди в качестве эффективных катализаторов отмечены в реакциях дегидрирования ароматических соединений. В свете возрастающих требований к разработке низкозатратных, высокоэффективных экологичных способов производства функциональных материалов нового поколения является актуальной задачей, требующей безотлагательного решения. Цель работы. Исследование особенностей темплатного синтеза композитных трековых мембран на основе микротрубок меди с использованием различных типов восстановителей, а также изучение влияния состава раствора осаждения на каталитические и сорбционные характеристики синтезированных композитов в реакциях удаления органических и неорганических загрязнителей водных сред. Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач: - Сравнительное исследование процессов химического темплатного синтеза микротрубок меди с использованием растворов осаждения на основе аскорбиновой и глиоксиловой кислот, а также формальдегида и диметиламинборана. - Изучение возможности применения композитных ТМ на основе МТ меди для каталитического удаления ионов Fe (III) и Cr (VI). - Исследование особенностей синтеза многокомпонентных КТМ методом гальванического замещения и их применения для фотокаталитического удаления пестицида карбендазима (Czm). - Исследование влияния окислительной модификации полимерного полиэтилентерефталат (ПЭТФ) темплата в составе КТМ на эффективность сорбционного удаления ионов мышьяка (III) в стационарном режиме. - Исследование кинетики и механизма сорбционного удаления ионов свинца (II) в присутствии КТМ, полученных с использованием различных составов раствора осаждения меди. Объект исследования. Композитные материалы на основе микропористых полимерных темплатов, изготовленных из ПЭТФ и химически осажденных моно- и поликомпонентных микротубулярных структур меди размером 410±25 нм и плотностью пор 4×107 см-2 . Связь работы с планом государственных научных программ. Настоящая работа выполнялась в рамках проектов грантового финансирования МНиВО РК: 1. «Разработка композитных сорбентов мышьяка на основе трековых мембран и металлических наноструктур» (ИРН AP05130797, срок реализации 2018–2020 гг.). 2. «Разработка модифицированных композитных трековых мембран для защиты окружающей среды» (ИРН AP08855527, срок реализации 2020–2022 гг.) Научная новизна работы: - Впервые проведено комплексное исследование процесса химического синтеза МТ меди в пористых темплатах на основе ПЭТФ ТМ с использованием растворов осаждения на базе нетоксичных восстановителей (аскорбиновая и глиоксиловая кислоты, диметиламинборан). Определены оптимальные условия синтеза, обеспечивающие формирование МТ меди с высокой степенью кристалличности. - Изучены кинетические и термодинамические характеристики реакции разложения неорганического загрязнителя сточных вод гексацианоферрата (III) калия (ГЦФК) в присутствии КТМ, синтезированных с использованием аскорбиновой кислоты (АК). При исследовании влияния структурных параметров МТ меди на эффективность удаления ГЦФК установлено, что степень конверсии линейно возрастает и достигает значения 94,4% для образцов с толщиной стенок МТ меди равной 88,4±13,0 нм. - Исследована эффективность удаления ионов Cr(VI) для образцов КТМ, полученных с использованием различных типов восстановителей. Установлено, что наименьшей активностью в реакции разложения ионов Cr(VI) обладают композиты, полученные с использованием диметиламинборана (DMAБ) в качестве восстановителя, что обусловлено присутствием фазы оксида меди(I) в составе композита. - Впервые проведены исследования по синтезу многокомпонентных КТМ методом гальванического замещения, где в качестве субстрата были использованы КТМ состава Cu2O@PET, а в качестве допирующего агента ионы цинка (II). Продемонстрирована более высокая каталитическая активность композита смешанного состава Cu2O/ZnO@PET на примере реакции разложения пестицида карбендазима. Изучены кинетические и термодинамические характеристики катализаторов на основе моно- и поликомпонентных КТМ. - Установлены особенности использования КТМ на основе МТ меди для сорбционного удаления ионов мышьяка (III), процесс сорбции описан в рамках модели псевдо-второго порядка, высокая сорбционная емкость композитов, полученных осаждением меди в модифицированом темплате (Cu@PET_Ox) по сравнению с образцами КТМ, синтезированными в немодифицированном ПЭТФ темплате. - Изучена сорбционная активность синтезированных композитных сорбентов в стационарном режиме по отношению к ионам свинца (II), рассмотрено влияние различных факторов на эффективность сорбции (рН, концентрация раствора сорбата, продолжительность сорбции, количество повторных тестов). - Установлено, что наибольшей сорбционной емкостью по отношению к ионам свинца и мышьяка обладают КТМ на основе микротрубок меди, полученные с использованием аскорбиновой кислоты в качестве восстановителя. Основные положения диссертации, выносимые на защиту: - При химическом синтезе МТ меди с использованием аскорбиновой кислоты в качестве восстановителя в объеме темплата формируется монослой из наночастиц меди размером 10-15 нм. При осаждении меди с использованием глиоксиловой кислоты при увеличении уровня рН раствора с 12,65 до 13,49 удельная скорость осаждения меди возрастает в 15 раз и после 45 сек осаждения формируются тубулярные структуры меди с толщиной стенок 31,6 и 103,9 нм соответственно. - Композиты состава Cu_Asc@PET, полученные при различном времени осаждения (90-480 мин), эффективно удаляют от 82 до 95% ионов железа (III) в зависимости от условий синтеза, при этом эффективность разложения ГЦФК прямопропорциональна толщине стенок микротрубок меди в составе КТМ и остается практически неизменной на протяжении 6 последовательных циклов испытаний. - Композиты, полученные с использованием DMAB в качестве восстановителя, демонстрируют наименьшую активность в реакции разложения ионов Cr (VI), что обусловлено присутствием фазы оксида меди (I) в составе композита. Более эффективное удаление ионов Cr (VI) происходит в присутствии образцов состава Cu_CHOH@PET, что подтверждается данными кинетических и термодинамических параметров реакции. - Смешанный композит (Cu2O/ZnO@PET) более эффективно катализирует разложение по сравнению с Cu2O@PET и ZnO@PET и разлагает более 93% Czm после 140 мин облучения. Наибольшая константа скорости реакции (1,76 × 10–2 мин–1 ) и наименьшая энергия активации (11,9 кДж/моль) были рассчитаны для смешанного композита Cu2O/ZnO@PET, что обусловлено синергетическим каталитическим эффектом, возникающим за счет присутствия обеих активных фаз (ZnO и Cu2O) и интерметаллида (CuZn) в его составе. - Окислительная модификация полимерного ПЭТФ темплата, предшествующая стадии химического осаждения МТ меди, обеспечивает на 35% более высокое значение параметра сорбционной емкости при удалении ионов мышьяка(III) по сравнению с образцами, полученных на основе немодифицированных ПЭТФ темплатов (рН –5,0, концентрация As(III) – 50 ppm). - КТМ состава Cu_Asc@PET обладают наиболее высокой сорбционной емкостью равной 560 µг/г при удалении ионов свинца (II) в модельных системах и наиболее достоверно процесс сорбции ионов свинца (II) в присутствии КТМ может быть описан в рамках модели псевдо-второго порядка. Анализ экспериментальных изотерм адсорбции для описания распределения молекул мышьяка между адсорбентом и жидкостью с помощью моделей Ленгмюра, Фрейндлиха и Дубинина-Радушкевича и сопоставление среднеквадратичных отклонений (R2 ), указывают на то, что модель Фрейндлиха лучше других описывает адсорбцию мышьяка и свинца на поверхности и в порах КТМ на основе МТ меди. Практическая значимость работы. Результаты исследования имеют практическое применение в очистке водных сред с высокой эффективностью до 98%. Например, в различных отраслях промышленности, таких как химическая, металлургия, сельское хозяйство и многие др. Эффективное каталитическое разложение неорганических загрязнителей, пестицидов, сорбционное удаление ионов тяжелых металлов позволит снизить загрязнение окружающей среды при повторном использовании воды. Высокая практическая значимость проведенных исследований подтверждается патентом на изобретение полезной модели № 108984 РГП «Национальный институт интеллектуальной собственности» Министерства юстиции Республики Казахстан. Личный вклад автора заключается в анализе литературных источников, проведении экспериментальных и расчётных работ, интерпретации, теоретическом обосновании, обобщении, обсуждении полученных результатов, подготовке и оформлении графиков, подготовке рукописи статьи. Апробация работы. Основные положения, выводы и научные результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных конференциях: 7th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE-2020 online), Томск, Россия, 2020, The 8th International Conference on Nanomaterials and Advanced Energy Storage Systems (INESS-2020), 6 August, 2020 - Nur-Sultan, Kazakhstan, 1-ая международная школа-конференция «Атом. Наука. Технологии», РГП «Институт ядерной физики», Алматы, Advanced materials manufacturing and research: new technologies and techniques (AMM&R-2021 online), Ust-Kamenogorsk: Publishing House of D. Serikbayev EKTU, 2021, Международная научная конференция «Наука и образование 2021», Нур-Султан: ЕНУ имени Л.Н.Гумилева, 2021, III International Scientific Forum Nuclear Science and Technologies, РГП ИЯФ, Алматы, 2021, Химия ғылымы мен химиялық білім берудің өзекті мәселелері атты Х- Республикалық ғылыми конференция. – Нұр-Сұлтан: Л.Н. Гумилев атындағы ЕҰУ, 2022. Публикации. Основные результаты диссертационного исследования отражены в 13 опубликованных работах, из них 3 статьи в научных изданиях, входящих в первый и/или второй квартиль по импакт-фактору по данным Journal Citation Reports (Жорнал Цитэйшэн Репортс) компании Clarivate Analytics (Кларивэйт Аналитикс); 2 статьи в изданиях из перечня, утвержденных Комитет по обеспечению качества в сфере науки и высшего образования; 8 работ в материалах республиканских и международных конференций: В 2 статьях в научных изданиях, входящих в первый и/или второй квартиль по импакт-фактору по данным Journal Citation Reports, соискатель является первым автором. Вклад докторанта заключается в планировании, непосредственном выполнении экспериментальной части работы, обработке и интерпретации полученных данных, теоретическом обосновании, подготовке и оформлении графиков. Кроме того, Алтынбаева Л.Ш. участвовала в оформлении статей в соответствии с требованиями журнала. Russakova A.V., Altynbaeva L.Sh., Barsbay M., Zheltov D.A., Zdorovets M.V., Mashentseva A.A. «Kinetic and Isotherm Study of As (III) Removal from Aqueous Solution by PET Track-Etched Membranes Loaded with Copper Microtubes». Membranes. – 2021. – Vol.11 (2). – P. 116. (19 p.) Импакт-фактор журнала – 4,56, Q1 – по категории Polymer Science, Q2 – Physical chemistry, chemistry. Процентиль по категории Chemical Engineering (miscellaneous) – 58 %. Altynbaeva L.Sh., Barsbay M., Aimanova N.A., Jakupova Zh.Ye., Nurpeisova D.T., Zdorovets M.V., Mashentseva A.A. A Nanomaterials «Novel Cu2O/ZnO@PET Composite Membrane for the Photocatalytic Degradation of Carbendazim». – 2022. – Vol. 12(10). – P.1724. (19 p.). Импакт-фактор журнала – 5,3. Q1 – Physics, Applied, Q2 – Chemistry, multidisciplinary. Процентиль по категории General Chemical Engineering– 81 %, Materials Science (General Materials Science) -78%. Altynbaeva L.Sh., Aimanova N.A., Zheltov D.A., Shlimas D.I., Nurpeisova D.T., Barsbay M., Abuova F.U., Zdorovets M.V. Mashentseva A.A. «Eco-Friendly Electroless Template Synthesis of Cu-Based Composite Track-Etched Membranes for Sorption Removal of Lead(II) Ions». Membranes. – 2023. – Vol.13(5). – P.495. (19 p.). Импактфактор журнала – 4,2. Q2 – Polymer science, Q2 – Physical chemistry, chemistry. Процентиль по категории Chemical Engineering (miscellaneous) – 47 %.
Отзыв зарубежного консультанта
Заключение комиссии по этической оценке исследований
Решение диссертационного совета
Защита диссертации: https://youtu.be/OrjEA1RTbe4?si=Uovus9TtQBEFo6Ac
