Суперсорбенты: свойства и применение¶

Суперсорбент — материал, способный поглощать и удерживать количество жидкости, многократно превышающее его собственную массу (обычно от 100 до 1000 и более граммов на грамм сухого вещества). К этой категории относят прежде всего синтетические полимерные гидрогели, а также высокопористые неорганические и композитные материалы. Ключевые характеристики суперсорбентов — высокая степень набухания, скорость впитывания и способность удерживать жидкость даже под давлением.

¶Общая характеристика

Основной показатель суперсорбента — коэффициент поглощения, или степень набухания, измеряемая в граммах жидкости на грамм сухого материала. Для воды у лучших образцов он достигает 300–1500 г/г, для физиологических растворов и мочи — 30–60 г/г, для нефти и органических жидкостей — от 5 до 100 г/г в зависимости от типа сорбента. Важны также кинетика впитывания (время достижения 90 % ёмкости), прочность геля при нагрузке, устойчивость к солевому фону и температуре, способность к биоразложению.

Механизм действия различается по классу материала. Полимерные гидрогели впитывают за счёт осмотического давления и электростатического отталкивания заряженных групп полимерной сетки: вода проникает в сеть, ионизирует функциональные группы и растягивает её, а поперечные сшивки не дают сети раствориться. Неорганические сорбенты (силикагель, аэрогели, вспученный графит, цеолиты) удерживают жидкость за счёт огромной удельной поверхности и капиллярных сил.

¶История и развитие

Первый промышленный суперсорбент — привитой сополимер крахмала и акрилонитрила — был получен в США в начале 1970-х годов. В 1970-е годы японские и американские компании разработали сшитые полиакрилаты натрия, которые быстро вытеснили крахмальные гели благодаря большей ёмкости и устойчивости. С конца 1970-х эти материалы начали применяться в гигиенических изделиях, что стало основным рынком сбыта. В 1980-е годы появились суперабсорбенты для сельского хозяйства и кабельной промышленности. В 1990-х и 2000-х развитие получили композитные и наноструктурированные сорбенты, в том числе аэрогели и материалы для ликвидации нефтяных разливов.

¶Классификация

По химической природе выделяют несколько групп.

• Синтетические полимерные гидрогели — сшитые полиакрилаты натрия, полиакриламидные сополимеры, привитые крахмал- и целлюлозосодержащие гели. Наиболее распространённый тип.
• Природные и полусинтетические сорбенты — производные целлюлозы, хитозана, альгинатов; отличаются биоразлагаемостью, но уступают по ёмкости.
• Неорганические пористые материалы — силикагель, аэрогели кремния и углерода, перлит, вермикулит, вспученный графит, цеолиты.
• Композитные материалы — полимерные гели с наполнителями из глин, углеродных нанотрубок или графена, сочетающие высокую ёмкость и механическую прочность.

По назначению различают водопоглощающие (гигиена, сельское хозяйство), нефте- и маслопоглощающие (экология, промышленность) и специальные сорбенты (медицина, пожаротушение, кабельная техника).

¶Применение

¶Гигиенические изделия

Основной потребитель суперсорбентов — производство подгузников, женской гигиены и впитывающих пелёнок. Полиакрилат натрия в составе впитывающего слоя удерживает жидкость внутри геля, обеспечивая сухость поверхности.

¶Сельское хозяйство

Гели-водоудерживатели вносят в почву и субстраты: они накапливают влагу при поливе или осадках и постепенно отдают её растениям, снижая частоту поливов. Применяются при выращивании рассады, в теплицах, при озеленении засушливых территорий и в гидропонике как компонент субстрата.

¶Экология и промышленность

Нефтесорбенты используют для ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов на воде и почве, для сбора технологических утечек. Сорбенты применяются в фильтрах для очистки сточных вод, в системах осушки газов и в кабельной промышленности для защиты от влаги. Вспученный графит и аэрогели используют как сорбенты и теплоизоляцию.

¶Медицина и специальные области

Гидрогели применяются в перевязочных материалах для ран с обильной экссудацией, в качестве носителей лекарств, в системах для иммобилизации клеток. Сорбенты входят в состав средств пожаротушения (гелеобразующие добавки к воде) и в составы для борьбы с пылью.

¶Технологии получения

Полимерные суперсорбенты получают радикальной полимеризацией акриловой кислоты с последующей нейтрализацией гидроксидом натрия и сшивкой (например, N,N'-метиленбисакриламидом). Распространены методы суспензионной и растворной полимеризации, а также привитой сополимеризации на крахмал или целлюлозу. Неорганические сорбенты получают золь-гель-методом, сверхкритической сушкой (аэрогели), термическим вспениванием (графит) или спеканием порошков.

¶Экологические аспекты

Полиакрилатные суперсорбенты практически не разлагаются в природе, что создаёт нагрузку при захоронении отходов гигиенических изделий. Ведутся разработки биоразлагаемых гидрогелей на основе полисахаридов, белков и полиаминокислот. Для нефтесорбентов важна возможность регенерации и утилизации поглощённого продукта, а также отсутствие вторичного загрязнения водоёмов.

¶Сравнение типов

¶Перспективы

Развитие направлено на создание биоразлагаемых и нетоксичных составов, повышение стойкости к солевому фону и многократному использованию, а также на удешевление производства. Перспективны композитные и наноструктурированные материалы с управляемой пористостью, сорбенты с селективным действием для разделения смесей и «умные» гели, меняющие свойства при изменении температуры, pH или освещённости.