Mehanoķīmiskās un ķīmiskās dzelzs heksacianoferrātu sintēzes optimizācija izmantošanai par radionuklīdu sorbentiem brīvā un saistītā veidā uz tekstilmateriāliem sejas aizsargmaskām

Projekts tiek realizēts četrās darba pakās (WP – no angļu valodas “work packages”), kur  WP1-WP3 koordinē LU sadarbībā ar RTU un WP4  koordinēs RTU: 

• WP1 “Projekta vadība un izplatīšana” (projekta 1-36 mēnesis);
• WP2 “PZ sintēze” (projekta 1-15 mēnesis);
• WP3 ”Tekstila masku prototips” (projekta 16-25 mēnesis);
• WP4 “PB-tekstila ergonomikas un kalpošanas laika pielāgošana” (projekta 22-36 mēnesis).

Pārskata periods aptver projekta pirmo ceturksni, kura laikā tika uzsākta projekta ieviešana, definēti darba paku mērķi un uzdevumi, kā arī veikta sākotnējo darbību plānošana un sagatavošanās posms. Aktivitātes tika organizētas atbilstoši projekta grafikam.

Pārskata periodā veiktas aktivitātes darba paku  WP1 un WP2 ietvaros, kas tālāk aprakstītas.

WP1 “Projekta vadība un izplatīšana” aktivitātes.

WP1 aktivitātes ietvaros  projekta vadītājs ar sadarbības partnera institūcijas projekta vadītāju un WP1 atbildīgo I. Reinholdu veikuši aktivitātes, lai nodrošinātu projekta veiksmīgu izpildi. 

Iesākta  projekta WP1 aktivitātes 1.1. izpilde, projektam noslēgts līgums,  saņemts pirmais finansējums un projekta vadītājs  ir  ar projekta komandu  tostarp RTU sadarbības partneri sākuši  veikt administratīvas darbības projekta izpildei, finansējuma apguvei. 

Projekta  pirmajā ceturksnī organizēta projekta abu partneru institūciju  attālinātā sēde, kas ir protokolēta (rezultatīvais rādītājs (deliverable)  D 1.4). Pārspriesta  projekta rīcības komitējas sēžu organizēšana starp projekta partneriem. Pārspriestas paveiktās aktivitātes pirmajā posmā un veicamās aktivitātes otrajā ceturksnī.

1.2.  aktivitātes "Sabiedrības informēšana" ietvaros  ir sekojošas:

• Sagatavota informācija par projekta realizāciju projekta vadošā partnera mājaslapā: https://www.lu.lv/zinatne/programmas-un-projekti/nacionalas-programmas-un-projekti/2024-gada-1-konkurss/mehanokimiskas-un-kimiskas-dzelzs-heksacianoferratu-sintezes-optimizacija-izmantosanai-par-radionuklidu-sorbentiem-briva-un-saistita-veida-uz-tekstilmaterialiem-sejas-aizsargmaskam/#c162313.
• Izveidota norāde par projekta aktivitātēm ResearchGate mājaslapā projekta galvenā izpildītāja Ingara Reinholda profilā (ResearchGate ir izņemta sadaļa, kas ļauj  attiecināt projektam atsevišķu sadaļu, kas bija apsolīts projekta pieteikumā).

Aktivitātes 1.4  ietvaros sagatavots datu pārvaldības plāns (DPP) “FLPP2024: Prussian Blue-Modified Fiber Materials: Synthesis and Applications” (angliski), kas publicēts projekta  NZDIS (LZP) modulī: https://argos.openaire.eu/explore-plans/overview/public/123c3a0c-2261-4678-9fc1-450a58880391

Projekta plāns paredz vismaz triju  zinātnisko datu bāzu sagatavošanu par projektu rezultātiem – divas zinātniskās datubāzes  par WP2 un WP3 aktivitātēm tiks sagatavotas līdz projekta vidusposmam un  vēl viena zinātniskā datubāze, ko sagatavos projekta partnerinstitūcija RTU par WP4 aktivitātēm, tiks sagatavota uz projekta noslēguma posmu.

Projektā iegūtās zinātniskās datubāzes plānots publicēt atklāti pieejamā veidā, galvenokārt Eiropas atvērtās pētniecības repozitorijā Zenodo, nodrošinot atbilstību FAIR datu principiem.

WP2 “Prūsija zilā sintēze” aktivitātes.

Aktivitātes 2.1. ietvaros veikta Prūsija zilā (PZ) priekšsintēze, pielietojot ķīmiskās un mehanoķīmiskās metodes, pielietojot dažādas dzelzs II vai III  hlorīdu un sarkanā/dzeltenā  asinssāls reaģentu molārās attiecības (3:4, 1:1, 4:3 un 3:2), lai iegūtu tālākai auduma krāsošanai potenciālos krāsu pigmentus, kuriem iesākta struktūras raksturošana ar spektrometrijas  (infrasarkanā un Raman  spektrometrija), rentgendifraktometrijas (XRD)  un rentgenflourescentās analīzes (XRF) metodēm. Šo  savienojumu pielietojumu audumu krāsošanā atkarībā no sorbentu cēzija sorbcijas spējas no ūdens šķīdumiem plānots izvērtēt nākamajos projekta posmos. 

Aktivitātes 2.2. ietvaros veikti audumu krāsošanas priekštesti. LU pētījumiem tika atlasīti  četri auduma paraugi, kas saņemti no  RTU sadarbības partneriem – divi dažādi TENCEL audumi ar atšķirīgām īpašībām un divi dažādi Lyocell  materiāli , kas visi ir pielietoti dažādu slāņu materiāliem  sejas aizsargmasku izstrādei. Veikta  audumu  struktūras analīze ar FTIR  spektroskopijas metodi.

Lai pārbaudītu auduma priekšapstrādes ietekmi uz krāsošanas efektivitāti, tika izmantots viens no Tencel audumiem (17/0672/4723). 

Sākotnēji novērtētas priekšapstrādes metodes, tikai sagatavoti vairāki paraugi apstrādāti 5 dažādos veidos (veicot vāju oksidatīvo apstrādi ar peroksīdu, oksidatīvo apstrādi ar persulfātu, spirta šķīdumu un sārmainu šķīdumu istabas temperatūrā un paaugstinātā temperatūrā), novērtējot celulozes virsmas izmaiņas un PZ krāsas stabilizēšanas efektu.

Pamatojoties uz projekta vadītāja priekšizpēti, tika atlasītas 8 dažādas  krāsošanas metodes priekšmodificētajiem paraugiem, lietojot dažādas attiecības sāļu šķīdumus, katrā no metodēm izmantojot visus 5 priekšapstrādes veidus (kopējas paraugu skaits 40 paraugi ar dažādu sastāvu). 

Pēc apstrādes veikta vizuāla  novērošana, kā arī ar XRF veikta elementu analīze hēlija atmosfērā ar maskas diametru 8mm. Novērtēts dzelzs saturs ar Prūsija zilā krāsotajos  Tencel auduma paraugos. Noteikts, ka paraugiem, kuriem vizuāli bija redzams vienmērīgs auduma krāsojums, bija augstāka dzelzs koncentrācija uz auduma šķiedrām. 

Cēzija sorbcija ir priekšnoteikums  PZ krāsotu audumu piemērotībai. Tādēļ veikta  cēzija sorbcijas noteikšana no ūdens šķīdumiem izmantojot testiem paraugus  ar  labāko virsmas krāsojumu un atšķirīgu dzelzs saturu, eksperimentiem izmantojot stabilā cēzija hlorīda sāļu šķīdumus (Cs⁺ masas koncentrācija 50 μg/L), sorbciju veicot 1 h. 

Pieņemot sākotnēji, ka cēzija sorbcija var būt proporcionāla Prūsijas zilā masas koncentrācijai, ko pārstāv noteikta dzelzs masas koncentrācija, tika mēģināts piemeklēt vienādojumus, kuri apraksta sorbcijas atkarību no dzelzs. Eksperimentāli noteikts, ka šo sakarību apraksta vienādojums 

q=q₀+(1-e^-k[Fe]), kā arī  Lengmīra tipa vienādojums q=q₀*kc/(1-kc), kur  q ir Cs+ jonu daudzums mikrogramos uz PZ saturošo auduma svaru.

Vienlaikus  tika noteikts, ka šī sakarība parāda 4-6 klasterus, kas raksturo cēzija sorbcijas izmaiņas, atkarībā no dzelzs  satura krāsotajos audumos un izvēlētās  Prūsija zilā sintēzes metodes krāsošanas procesā.

Jāveic papildus struktūras izpēte, lai varētu izvērtēt klasteru veidojošos faktorus, jo rezultāti uzrādīja, ka pat pie augsta dzelzs satura var būt atšķirīga cēzija sorbcijas efektivitāte. 

Pamatojoties uz iegūtajiem rezultātiem, iesākta otra Tencel  auduma krāsošana. 

Nākamajā projekta periodā tiks turpināta  Tencel paraugu salīdzināšana, novērtējot cēzija sorbciju, kā arī padziļināti tiks novērtēta šķiedru krāsošana, pielietojot spektroskopijas un mikroskopijas metodes struktūras raksturošanai. Tāpat tiks tālāk izvērtētas  atlasīto pigmentu sintēzes metodes. 

Ar RTU sadarbības partneri pārrunāti tālāko posmu eksperimenti, kas ietvers sagatavoto paraugu  krāsu stabilitātes pārbaudes, izmantojot  spektrofotometrijas un krāsu raksturošanu  atbilstoši CIELAB trīsdimensionālajai krāsu sistēmai, kā arī veikt paraugu gaisa caurlaidības mērījumus, novērtējot dažādi krāsotos paraugus.

Pārskata periodā galvenās aktivitātes veiktas darba paku WP1 “Projekta vadība un izplatīšana” un WP2 “PZ sintēze” ietvaros, kas tālāk aprakstītas.

WP1 “Projekta vadība un izplatīšana” aktivitātes.

WP1 aktivitātes ietvaros  projekta 2. ceturkšņa  jūnija mēnesī organizēta projekta abu partneru institūciju attālinātā sēde, kas ir protokolēta (rezultatīvais rādītājs (deliverable) D 1.4). 

Apspriedes laikā pārspriesti šādi jautājumi: 

• LU pētnieku grupa ziņoja par WP2 darba pakas ietvaros paveikto, kas ietvēra pirmajā pārskata periodā turpinātas aktivitātes - dzelzs heksacianoferrātu pigmentu piesaistes metožu pilnveidi celulozes audumiem.
• RTU pētnieku grupa ziņoja par  sagatavoto plānu un atbilstošajām standartizētajām metodēm medicīnisko audumu un filtrējošo masku testēšanai,  tālāko eksperimentālo plānu veikšanai optimālajiem testa paraugiem un pārbaužu metodēm.   
• RTU pētnieki atskatījās par pārskata periodā veiktiem atkrāsošanās testiem, mazgājot LU pētnieku sagatavotos audumus ar Prūsija zilo (PZ) – konstatēts, ka drastiskos apstākļos ir iespējas atkrāsot audumu, vienlaikus nodrošinot, ka netiek nokrāsoti references audumi -  secināts, ka iespējams jāoptimizē krāsošanas tehnoloģija, ja ir plānots iegūt atkārtoti lietojamu  materiālu, kur  ņemot vērā projekta mērķi, galvenais pielietojums ietvert vienreiz lietojamos materiālus sejas maskām radioaktīva piesārņojuma gadījumā.
• Pārspriestas rezultātu izplatīšanas aktivitātes 2026. g starptautiskajās konferencēs (pārspriesta dalība  Starptautiskās tekstil ķīmiķu un krāsotāju asociāciju federācijas starptautiskajā konkursā, kurš noritēs 2026 .g. rudenī Barselonā, Spānijā).

WP2 “Prūsija zilā sintēze” aktivitātes.

Pārskata periods aptver projekta otro ceturksni, kura laikā veiktas sekojošas zinātniskās aktivitātes, ko veica Latvijas Universitātes pētnieku grupa, sadarbībā ar  RTU  pētniecības grupu,  turpinot iepriekšējā perioda aktivitātes: 

• Priekšapstrāde. Detalizētāk pārbaudīta amonija persulfāta priekšapstrāde auduma pārklāšanai ar Prūsijas zilo (PZ). Konstatēts, ka amonija persulfāta apstrāde nenodrošina vēlamo rezultātu, jo pēc šīs apstrādes audumam piesaistot PZ, nav novērojama vienmērīga krāsojuma uzklāšanas – rentgenflourescentās analīzes rezultāti uzrādīja, ka pie auduma piesaistītā dzelzs saturs ir relatīvi neliels (0,46 -1,79%, mainoties PZ  uznešanas metodei (vēlams, ka dzelzs saturs būtu ≥2%).
• Audumu krāsošana ar PZ  pigmentu dispersiju šķīdumos. Atbilstoši sākotnēji projektā plānā ierakstītajam, novērtēta  audumu absorbtīvās krāsošanas efektivitāte ar iepriekš sintezētu Prūsijas zilā (PZ) suspensiju istabas temperatūrā (22,4 °C).

Testos izmantots Tencel 17/0672/4823 audums un izvēlēti divu veidu pigmenti, kas sintezēti, salejot kopā K₄[Fe(CN)₆] un FeCl₃ šķīdumus,  dzelzs jonu molārajās attiecībās 4:3 un 3:4, lai pārbaudītu dažādas šķīdības PZ ietekmi uz piesaisti pie auduma.

Eksperimenti veikti dažādas secībās, mainot reaģentu pievienošanas secību un krāsu pigmentu novecināšanas laiku (1 h, 2 dienas), kā arī testējot audumu modificēšanu istabas temperatūrā un  pie paaugstinātas temperatūras.  Secināts, ka  pigmentu piesaistei ir nepieciešams uzlabot modificēšanas metodi.  PZ slānis no audumiem bija  viegli nomazgājams ar destilēto ūdeni un uzklājas nevienmērīgi. Nolemts nenoteikt dzelzs saturu, jo pēc ārējā izskata varēja secināt, ka tā saturs būs niecīgs. Plānots nākamajā projekta periodā analizēt dažādas apstrādes metodes PZ piesaistes uzlabošanai. 

Atbilstoši projekta plānam, ir sagatavots pārskats par raksturoti sintezētie PZ savienojumi, nosakot to fizikālās sakarības ( Deliverable D2.1.). Pārskats tiks ievietots slēgta dokumenta (Restricted) formā ZENODO repozitorijā un būs pieejams interesentiem pēc pieprasījuma. 

• Dzelzs satura ietekmes novērtējums. Turpinot iepriekšējā perioda aktivitātes, noteikta sakarība starp analītiski noteikto dzelzs saturu uz auduma un Cs⁺ sorbciju pie divām Cs⁺

Dzelzs saturs tiek noteikts ar rentgenflourescento metodi. Iegūtās līknes var pietiekami precīzi aprakstīt ar logaritmisko funkciju. No šiem mērījumiem aprēķinātas aptuvenās sorbcijas kapacitātes un līdzsvara konstantes. 

• Sorbcijas izoterma. Eksperimentāli iegūta viena pilna izoterma un no tās noteikta sorbcijas kapacitāte un līdzsvara konstante, pēdējā ievērojami atšķiras no noteiktās ar divu mērījumu metodi. Cs+ pilnās sorbcijas izoterma var tikt aprakstīta ar Lengmīra vienādojumu, taču labāku eksperimentu un aprēķinu rezultātu sakritību dod BET vienādojums, kura pielietojums turpmāk jāpamato nākamajos projekta periodos.
• Cs jonu sorbcijas/desorbcijas kinētikas pētījumi.  Veikti Cs sorbcijas kinētikas mērījumi pie 22 ^oC un noteiktas aptuvenas sorbcijas un desorbcijas ātruma konstantes. Atkārtoti iegūti sorbcijas kinētikas vienādojumi koordinātēs q – t (sorbcija – laiks) un salīdzināti ar citu autoru darbos iegūto sakarību θ – t (aizpildījuma pakāpe – laiks).

Cēzija jonu desorbcijas pētījumi veikti, lai plašāk izpētītu ar PZ pārklātu audumu  praktiskā pielietojuma iespējas. Desorbcijas pētījumiem izvēlēti audumi ar augstāku Fe saturu (virs 3%). Izvests Cs+ desorbcijas kinētikas vienādojums un veikti desorbcijas mērījumi līdzsvara apstākļos.

Šos pētījumus plānots turpināt pie dažādām temperatūrām  nākamajā projekta periodā.