Фильтры очистки промышленных сточных вод горнорудного предприятия на основе 2D-композитных систем alk-MXene/Er3Fe5O12

Модифицированный 2D-композит alk-MXene/Er3Fe5O12 синтезирован с использованием простой гидротермальной технологии и технологии самостоятельной сборки. При помощи современных методов исследования, таких как сканирующая электронная микроскопия, рентгенофазовый анализ и ИК-Фурье спектроскопия, показано основополагающее влияние выбора методики и контроля условий синтеза на микроструктурные особенности образцов. Определены оптимальные последовательности процессов синтеза, температурные режимы синтеза, время травления и сублимированной сушки. Результаты показали возможность создания порошков alk-MXene/Er3Fe5O12 с высокоэффективными адсорбционными свойствами (доказательно продемонстрированными при очистке сточных вод Садонского свинцово-цинкового комбината) при соблюдении предложенных в работе методик и условий синтеза. СЭМ-изображения поверхностной структуры и морфологии MAX (Ti3AlC2), MXene (Ti3C2), Er3Fe5O12, alk-MXene (Ti3C2Тх) и композита alk-MXene/Er3Fe5O12 указывают на четкую многослойную структуру и межслоевые промежутки с гладкой поверхностью. Рентгенодифракционные спектры, характеризующие кристаллическую природу, подтверждают гексагональную фазу исследуемых порошков. Пики, соответствующие фториду алюминия, исчезают после обработки травлением. Кроме того, увеличение интенсивности пиков свидетельствует о том, что взаимодействие с NaOH может эффективно улучшить кристаллизацию и укладку MXene. Пики ИК-Фурье спектрограмм MXene и alk-MXene при длинах волн 1629 и 586 см–1 подтверждают валентные колебания группы – NH₂ и деформационные колебания связи Ti-C. После комбинирования alk-MXene с Er3Fe5O12 происходит сдвиг характерных для данных материалов пиков при 3428 и 1639 см–1 в сторону более высоких волновых чисел, что указывает на взаимодействие между Er3Fe5O12 и MXene и обеспечивает сборку частиц феррита-граната эрбия на листах alk-Mxene. 

Цидаева Н. И., Накусов А. Т., Хайманов С. А., Хубаев А. К. Фильтры очистки промышленных сточных вод горнорудного предприятия на основе 2D-композитных систем alk-MXene/Er3Fe5O12 // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2026. – № 3. – С. 18–31. DOI: 10.25018/0236_1493_2026_3_0_18.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-12-20004, https://rscf./ru/project/24-12-20004.

Цидаева Наталья Ильинична¹ — канд. физ.-мат. наук, профессор, директор, https://t.me/GMIoff, e-mail: tsidaevan@mail.ru, ORCID ID: 0000-0002-7022-4590, 
Накусов Ахсарбек Таймуразович¹ — канд. хим. наук, старший научный сотрудник, https://t.me/GMIoff, ORCID ID: 0000-0003-1685-015X, 
Хайманов Спартак Александрович¹ — старший научный сотрудник, https://t.me/GMIoff, ORCID ID: 0000-0001-5875-9659,
Хубаев Азамат Казбекович¹ — старший научный сотрудник, https://t.me/GMIoff,
¹ Научный центр «Магнитные наноструктуры», Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет).

Цидаева Н.И., e-mail: tsidaevan@mail.ru.

1. Пухова В. П., Воропанова Л. А. Очистка сточных вод горноперерабатывающих предприятий путем использования природных продуктов // Устойчивое развитие горных территорий. — 2019. — Т. 11. — № 2(40). — C. 134—141. DOI: 10.21177/1998-4502-2019-11-2-134-141.

2. Tsidaeva N., Nakusov A., Khaimanov S., Wang W. Hydrothermal synthesis of various magnetic properties of controlled micro/nanostructured powders and films of rareearth iron garnet // Nanomaterials. 2021, vol. 11, no. 4, article 972. DOI: 10.3390/nano11040972.

3. Sun B., Yuan Y., Li H., Li X., Zhang C., Guo F., Liu X., Wang K., Zhao X. S. Waste cellulose-derived porous carbon adsorbents for methyl orange removal // Chemical Engineering Journal. 2019, vol. 371, pp. 55—63. DOI: 10.1016/j.cej.2019.04.031.

4. Ramachandramoorthi P. V., Balamurugan A., Rajendran S., Krishnan V., Ching L. C., Subramanian S., Xavier A., Te-Wei С., Sayee K. R. Praseodymium tungstate-integrated MXene nanocomposite: A cutting-edge platform for high-performance electrochemical sensing of furaltadone in food and environmental samples // ACS Applied Engineering Materials. 2025, vol. 3, pp. 2919−2932. DOI: 10.1021/acsaenm.5c00462.

5. Kang Rui G. L., Mikhail S., Brian C. W., Babak A., Yury G., Zhi W. S. Fundamentals of MXene synthesis // Nature Synthesis. 2022, vol. 1, pp. 601—614. DOI: 10.1038/s44160-022-00104-6.

6. Fanxing B., Moustafa M. Z., Yasseen I., Bing M., Elzatahry A., Dongyuan Z. Porous MXenes: Synthesis, structures, and applications // Nano Today. 2020, vol. 30, article 100803. DOI: 10.1016/j.nantod.2019.100803.

7. Cui Y., Zhu J., Tong H., Zou R. Advanced perspectives on MXene composite nanomaterials: Types synthetic methods, thermal energy utilization and 3D-printed techniques // iScience. 2023, vol. 26, no. 1, article 105824. DOI: 10.1016/j.isci.2022.105824.

8. Hyder A., Meher-Un-Nisa K., Buledi J., Memon A. A., Ghanghro A., Misbah R., Khalid H. N. MXene-based nanocomposites: a new horizon for electrochemical monitoring of environmental pollutants // RSC Sustainability. 2025, vol. 3, pp. 2160—2184. DOI: 10.1039/d4su00828f.

9. Симоненко Е. П., Симоненко Н. П., Нагорнов А. И., Симоненко Т. Л., Мокрушин А. С., Севастьянов В. Г., Кузнецов Н. Т. Синтез МАХ-фаз в системе Ti2AlC–V2AlC прекурсоров гетерометаллических максенов состава Ti2-xVxC // Журнал неорганической химии. — 2022. — Т. 67. — № 5. — C. 635—645. DOI: 10.31857/S0044457X2205018X.

10. Nouseen S., Pumera M. Electrochemical etching of MXenes: mechanism, challenges and future outlooks // Journal of Materials Chemistry A. 2025, vol. 13, pp. 34055—34084. DOI: 10.1039/D5TA04176G.

11. Kavita M., Jyoti R., Himani S., Charu D. Fabrication of MXene-TiO2 nanotube composite and their electrochemical study in acidic and alkaline medium // International Journal of Hydrogen Energy. 2024, vol. 95, pp. 710—720. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2024.11.267.

12. Jiang L., Zhou D., Yang J., Zhou S., Wang H., Yuan X., Liang J., Xiaodong L., Chen Y., Li H. 2D single- and few-layered MXenes: synthesis, applications and perspectives // Journal of Materials Chemistry A. 2022, vol. 10, pp. 13651—13672. DOI: 10.1039/d2ta01572b.

13. Tsidaeva N. I. The magnetic and magnetooptical properties of Y-substituted erbium iron garnet single crystals // Journal of Alloys and Compounds. 2004, vol. 374, no. 1-2, pp. 160—164. DOI: 10.1016/j.jallcom.2003.11.143.

14. Tsidaeva N. I. The magneto-optical activity of rare-earth ion in Y-substituted erbium and neodymium iron garnets // Journal of Alloys and Compounds. 2006, vol. 408—412, pp. 164—168. DOI: 10.1016/j.jallcom.2005.04.027.

15. Verma Sh., Veillon F., Lohier J. F., Prellier W., Singh K., Ravi S. Tailoring structural, magnetic, and magneto-dielectric features of (Gd1−xNdx)3Fe5O12 (x = 0.0—0.4) garnet ceramics // Journal of Applied Physics. 2025, vol. 137, no. 17, article 173902. DOI: 10.1063/5.0257473.

16. Shamaila F., Haider S. I., Khan M. F., Rizwan S. Synthesis and characterization of erbium decorated V2CTx for water splitting properties // International Journal of Hydrogen Energy. 2024, vol. 55, pp. 110—117. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2023.11.114.

17. Shamaila F., Irfan A., Aumber A., Haidry A. A., Rizwan S. Er-intercalated Ti3C2Tx MXene electrocatalyst for efficient energy conversion // RSC Advances. 2025, vol. 15, pp. 37379—37390. DOI: 10.1039/D5RA05111H.

18. Jafry A. A. A., Krishnan G., Kasim N., Zulkipli N. F., Samsamnun F. S. M., Apsari R., Harun S. W. MXene Ti3C2Tx as a passive Q-switcher for erbium-doped fiber laser // Optical Fiber Technology. 2020, vol. 58, pp. 178—185. DOI: 10.1016/j.yofte.2020.102289.

19. Alipuly M., Nurgaliyev N. N., Askaruly K., Khalid M., Azat S. Mxene materials: modern synthesis methods, eco-friendly approaches, and prospects for application as coatings and composite materials // Bulletin of Shakarim University. Technical Sciences. 2025, vol. 2, no. 18, pp. 487—501. DOI: 0000-0002-9705-7438.

20. Çölkesen P., Yoon D. H., Fitriani P. Synthesis of titanium carbide mxene nanosheets by ecofriendly technique for strontium ion adsorption // Physica Status Solidi (A). 2023, vol. 221, no. 3, pp. 319—331. DOI: 10.1002/pssa.202300564.

21. Tran N., Ta Q., Sreedhar A., Noh J. Ti3C2Tx MXene playing as a strong methylene blue adsorbent in wastewater // Applied Surface Science. 2021, vol. 537, article 148006. DOI: 10.1016/j.apsusc.2020.148006.

22. Alhabeb M., Maleski K., Anasori B., Lelyukh P., Clark L., Sin S., Gogotsi Y. Guidelines for synthesis and processing of two-dimensional titanium carbide (Ti3C2Tx MXene) // Chemistry of Materials. 2017, vol. 29, no. 18, pp. 7633—7644. DOI: 10.1021/acs.chemmater.7b02847.

23. Khan A. R., Husnain S. M., Shahzad F., Mujtaba-ul-Hassan S., Mehmood M., Ahmad J., Mehran M. T., Rahman S. Two-dimensional transition metal carbide (Ti3C2Tx) as an efficient adsorbent to remove cesium (Cs+) // Dalton Transactions. 2019, vol. 48, no. 31, pp. 11803—11812. DOI: 10.1039/C9DT01965K.

24. Qu J., Teng D., Zhang X., Yang Q., Li P., Cao Y. Preparation and regulation of two-dimensional Ti3C2Tx MXene for enhanced adsorption—photocatalytic degradation of organic dyes in wastewater // Ceramics International. 2022, vol. 48, no. 10, pp. 14451—14459. DOI: 10.1016/j.ceramint.2022.01.338.

25. Li Z., Wang L., Sun D., Zhang Y., Liu B., Hu Q., Zhou A. Synthesis and thermal stability of two-dimensional carbide MXene Ti3C2 // Materials Science and Engineering: B. 2015, vol. 191, pp. 33—40. DOI: 10.1016/j.mseb.2014.10.009.

26. Zhu T., Chang S., Song Y., Lahoubi M., Wang W. PVP-encapsulated CoFe2O4/rGO composites with controllable electromagnetic wave absorption performance // Chemical Engineering Journal. 2019, vol. 373, pp. 755—766. DOI: 10.1016/j.cej.2019.05.079.

27. Feng Y., Wang H., Xu J., Du X., Cheng X., Du Z., Wang H. Fabrication of MXene/PEI functionalized sodium alginate aerogel and its excellent adsorption behavior for Cr (VI) and Congo Red from aqueous solution // Journal of Hazardous Materials. 2021, vol. 416, article 125777. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2021.125777.

28. Shen W., Ren B., Cai K., Song Y., Wang W. Synthesis of nonstoichiometric Co0.8Fe2.2O4/reduced graphene oxide (rGO) nanocomposites and their excellent electromagnetic wave absorption property // Journal of Alloys and Compounds. 2019, vol. 774, pp. 997—1008. DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.09.361.