Придание шунгитом высокой кислотности воде

Ученые достаточно длительное время занимаются изучением такой природного минерала, как шунгит, представляющего собой окаменевшую древнюю нефть, или аморфный, некристаллизирующийся, фуллереноподобный (т.е. содержащий определённые регулярные структуры) углерод. Его содержание в шунгите составляет около 30%, а 70% составляют силикатные минералы - кварц, слюды. Кроме углерода в состав шунгита входят также SiO₂ (57,0%), TiO₂ (0,2%), Al₂O₃ (4,0%), FeO (2,5%), MgO (1,2%), К₂О(1,5%), S (1,2%).

Химический состав шунгита Зажогинского месторождения (масс. %):

Углерод в шунгите образует фуллереноподобную матрицу, в которой распределены высокодисперсные силикаты с размером частиц 0,5 - мкм.

В  фуллеренах плоская  сетка шестиугольников - графитовая сетка свернута и сшита в замкнутую сферу, напоминающую футбольный мяч. При этом часть шестиугольников преобразуется в пятиугольники. Природой задана четкая последовательность этого соединения - каждый шестиугольник граничит с тремя шестиугольниками и тремя пятиугольниками, а каждый пятиугольник граничит только с шестиугольниками. Атомы углерода, образующие сферу, связаны между собой сильной ковалентной связью. Толщина сферической оболочки 0,1 нм, радиус молекулы С₆₀ 0,357 нм.  Длина связи С—С в пятиугольнике - 0,143 нм, в шестиугольнике – 0,139 нм. В углеродном каркасе атомы углерода характеризуются sp² -гибридизацией, причем каждый атом углерода связан с тремя соседними атомами.

Другая особенность структуры фуллеренов заключается в том, что атомы углерода в молекулах фуллеренов расположены в вершинах правильных шести- и пятиугольников, покрывающих поверхность сферы или эллипсоида и составляют замкнутые многогранники, состоящие из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода. Такие молекулы могут содержать 28, 32, 50, 60, 70, 76 и т.д. молекул. В результате образуется структура – усеченный икосаэдр, который имеет 10 осей симметрии третьего порядка, 6 осей симметрии пятого порядка. Каждая вершина этой фигуры имеет трех ближайших соседей. Каждый шестиугольник граничит с тремя шестиугольниками и тремя пятиугольниками, а каждый пятиугольник граничит только с шестиугольниками. Молекулы высших фуллеренов С₇₀ С₇₄, С₇₆, С₈₄ , С₁₆₄, С₁₉₂, С₂₁₆, также имеют форму замкнутой поверхности.

Самый симметричный и наиболее полно изученный представитель семейства фуллеренов — 60-ти углеродный фуллерен (C₆₀), в котором углеродные атомы образуют многогранник, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников и напоминающий футбольный мяч. Каждый атом углерода в молекуле C₆₀ находится в вершинах двух шестиугольников и одного пятиугольника и принципиально неотличим от других атомов углерода. Атомы углерода, образующие сферу, связаны между собой сильной ковалентной связью. Толщина сферической оболочки 0,1 нм, радиус молекулы С₆₀ 0,357 нм.  Длина связи С—С в пятиугольнике - 0,143 нм, в шестиугольнике – 0,139 нм.

Благодаря своему сетчато-шарообразному строению фуллерены оказались идеальными наполнителями и идеальной смазкой. Они катаются, словно шарики размером с молекулу между трущимися поверхностями. Комбинируя внутри углеродных шаров разные атомы и молекулы, можно создавать самые фантастические материалы будущего. На основе фуллеренов уже синтезировано более 3 тысяч новых соединений. Столь бурное развитие химии фуллеренов связано с особенностями строения этой молекулы и наличием большого числа двойных сопряженных связей на замкнутой углеродной сфере. Комбинация фуллерена с представителями множества известных классов веществ открыла для химиков-синтетиков возможность получения многочисленных производных этого соединения.

Фуллерены могут использоваться в нанотехнологии, медицине, ракетном строительстве, в военных целях, электронике, оптикоэлектронике, машинном производстве, в производстве технической продукции, компьютеров и др., и во всех случаях рабочие параметры оборудования значительно улучшаются, качество повышается, технологии становятся более эффективными и простыми.

Большие надежды связаны с применением фуллеренов в медицине. Почти идеальная сферическая структура молекулы фуллерена и микроскопический размер (диаметр 0.7 нм), позволяют ученым рассчитывать на то, что эти молекулы смогут создать механическое препятствие для проникновения вирусов в клетки зараженного организма. Обсуждается также и идея создания противораковых препаратов на основе водорастворимых соединений фуллеренов с внедренными внутрь радиоактивными изотопами. Введение такого лекарства в ткань позволит избирательно воздействовать на пораженные опухолью клетки, препятствуя их дальнейшему размножению. Пока основное препятствие на пути разработок связано с нерастворимостью молекул фуллеренов в воде, затрудняющей их прямое введение в организм.

Благодаря своей уникальной структуре, активной в окислительно-восстановительных реакциях и  обладающая сорбционными и каталитическими свойствами, шунгит находит применение в различных областях человеческой деятельности и решить многочисленные проблемы, в том числе и проблемы, связанные с очисткой воды.

Шунгит обладает в равной степени всеми качествами, которые необходимы для хорошего фильтрующего элемента. Во-первых, шунгит – очень прочная порода, имеющая высокие показатели плотности и механической стойкости. Во-вторых, он обладает повышенной химической стабильностью в присутствии даже агрессивных примесей. В-третьих, шунгит обладает сорбционными, каталитическими, бактерицидными свойствами, биологической активностью, способностью поглощать и нейтрализовать электромагнитные излучения высоких частот.

Уникальная структура и свойства шунгита определяют эффективность его использования в окислительно-восстановительных процессах:

• в доменном производстве литейных (высококремнистых) чугунов;
• в производстве ферросплавов;
• в производстве фосфора;
• в производстве карбида и нитрида кремния;
• как наполнитель термостойких красок.

Именно сорбционные, каталитические и восстановительные свойства шунгитовых пород позволяют успешно очищать сточные воды от многих органических и неорганических веществ (нефтепродуктов, пестицидов, фенолов, поверхностно-активных веществ и др.).

Кроме этого, шунгит является самым эффективным веществом для очистки водопроводной воды от хлорорганических веществ (диоксинов) и нефтепродуктов, обладает бактерицидными свойствами. Благодаря этим свойствам шунгит можно использовать:

• в подготовке питьевой воды высокого качества в проточных системах любой производительности, в колодцах. С помощью шунгитов наиболее просто и экономично можно решить проблему водоснабжения во многих проблемных регионах;
• в очистке городских бытовых, промышленных стоков от многих вредных веществ;
• в подготовке воды бассейнов;
• в подготовке воды ТЭЦ.

Благодаря каталитическим свойствам шунгит способен очищать воду от разного типа органических веществ: фенолов, жирных высокомолекулярных кислот, спиртов, веществ лингоуглеводного комплекса, древесных и торфяных гидролизатов, водорастворимых смол гидролиза, гуминовых веществ, а также ряда газов, разрушая органические вещества до элементарных оксидов (СО₂, Н₂О) и осаждая (на 70-90%) из воды нерастворимые соли (карбонаты, оксилаты и др.).

По способности очищать воду от нефтепродуктов шунгитовые породы не уступают активированному углю.

При фильтровании через шунгитовый фильтр значительно снижается цветность воды, практически полностью устраняется микрофлора.

Кроме этого, шунгит хорошо справляется с уничтожением бактерий в составе воды. Бактерицидные свойства позволили использовать этот уникальный минерал и в медицине для лечения различных заболеваний. Бактерицидные свойства шунгита способствовали активному использованию его не только в целях лечения, но и в тех областях, где необходима качественная и стабильная очистка воды. Это относится к различным процессам органического синтеза, каталитическим процессам, а также к процессам очистки питьевой воды.

Вода, пропущенная через шунгитовый фильтр, имеет общее оздоравливающее  воздействие на организм, удаляет раздражения, зуд, сыпи, восстанавливает блеск волос, эффективна при вегето-сосудистой дистонии, при заболеваниях желудочно-кишечного тракта, камнях в почках.

К.х.н. О. В. Мосин