Słońce i fotokatalizatory oczyszczą brudną wodę – tanio i szybko

Do zanieczyszczonej fenolem i celulozą wody wsypujemy odrobinę odpowiednio przygotowanego proszku. Trochę słońca i po kwadransie szkodliwe substancje znikają, a odfiltrowany proszek nadaje się do ponownego użycia.

Brzmi jak bajka? Może, ale to nie magia, lecz umiejętne wykorzystanie chemii i fizyki przez naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie (IChF PAN). Problemem wielu rejonów świata jest rosnące zanieczyszczenie wód odpadami przemysłu drzewnego i papierniczego, w tym pochodnymi celulozy i fenolu. W usuwaniu z wody tego typu substancji mogą w przyszłości pomóc tanie i łatwe w produkcji fotokatalizatory, opracowane przez grupę dr. inż. Juana Carlosa Colmenaresa z IChF PAN.

Katalizatory to substancje, które – uczestnicząc w reakcjach – przyśpieszają ich przebieg i (niemal) całkowicie odtwarzają się po ich zakończeniu. Typowe reakcje z udziałem katalizatorów wymagają temperatur rzędu kilkuset stopni, a nierzadko także znacznie podwyższonego ciśnienia.

Fotokatalizatory zaprojektowane w IChF PAN i tu syntezowane mają znacznie mniejsze wymagania. Do ich aktywacji dochodzi pod wpływem promieniowania słonecznego lub ultrafioletowego, a właściwa reakcja chemiczna może przebiegać w temperaturze ok. 30 stopni i przy normalnym ciśnieniu. Są to warunki występujące naturalnie w wielu miejscach naszej planety.

Podstawowym elementem nowych fotokatalizatorów jest dwutlenek tytanu z niewielkim dodatkiem atomów żelaza lub chromu. Wszystkie te materiały są powszechnie dostępne i tanie. Fotokatalizatory są osadzane na odpowiednim nośniku – ziarnach krzemionki lub jednej z odmian zeolitów (glinokrzemianów). Proces osadzania odbywa się z użyciem popularnego sprzętu laboratoryjnego: wyparki i myjki ultradźwiękowej.

„Pod wpływem ultradźwięków w roztworze z prekursorami dwutlenku tytanu oraz chromu lub żelaza powstają mikrobąble o wysokim ciśnieniu i temperaturze. W tych warunkach dochodzi do trwałego osadzenia tych materiałów na drobinach nośnika” – wyjaśnia dr Colmenares.

Tak wytworzone materiały katalityczne z domieszkami chromu lub żelaza zostały przebadane i szczegółowo scharakteryzowane w IChF PAN oraz przez grupę prof. Krzysztofa Kurzydłowskiego z Wydziału Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej.

Jak wygląda oczyszczanie wody za pomocą nowych fotokatalizatorów?

W warunkach laboratoryjnych proces zajmuje zaledwie 15–20 minut i polega na wsypaniu do wody proszku z fotokatalizatorem. Teraz wystarczy krótka ekspozycja na promieniowanie słoneczne, by zanieczyszczające wodę pochodne celulozy lub fenolu zniknęły.

Fotokatalizatory na nośniku z krzemionki okazały się szczególnie skuteczne w usuwaniu fenolu. Zostaje on w wysokim stopniu utleniony, a produktami reakcji są woda i dwutlenek węgla. W wypadku nośnika zeolitowego dochodziło z kolei do rozkładu glukozy (jest ona monomerem, a więc podstawową „cegiełką” tworzącą łańcuchy polimerowe celulozy). W wyniku rozkładu powstawały kwasy karboksylowe – glukonowy i glukarowy – czyli użyteczne substancje znajdujące zastosowanie m.in. w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym i kosmetycznym.

Co szczególnie ważne, analizy wykonane przez grupę dr. Colmenaresa jednoznacznie dowodzą, że w trakcie całego procesu oczyszczania ani atomy chromu, ani atomy żelaza nie uwalniają się do wody.
Po zakończonej reakcji fotokatalizator można łatwo odzyskać. Ponieważ jest on trwale osadzony na drobinach krzemionki lub zeolitu, a te mają stosunkowo duże (mikrometrowe) rozmiary, wystarczy przefiltrować wodę. Odzyskany proszek można wykorzystać ponownie, przy czym kilkukrotne powtórzenie cyklu nie wpływa znacząco na wydajność pracy katalizatora.

Nie tylko w laboratorium

Jak powiedział nam dr Colmenares, we wrześniu zostały przeprowadzone próby działania technologii w dużych zbiornikach (50 l i więcej). Naukowcy zdecydowali się wykonać je w Hiszpanii, bo tam o tej porze roku można liczyć na słoneczną pogodę częściej niż w Polsce.

„Oczywiście, słońce nie jest ograniczeniem, bo można zastosować specjalne lampy, a nawet jak słońce jest za chmurami, proces fotokatalizy przebiega, tylko wolniej. Chcieliśmy po prostu mieć wyniki badań przeprowadzone w pełnym słońcu – tłumaczy dr Colmenares. – Prostota wytwarzania naszych fotokatalizatorów, niskie koszty ich produkcji oraz łatwość przeprowadzenia reakcji w warunkach naturalnych to istotne zalety. Ale równie ważny jest fakt, że nasze materiały pozwalają zatrzymać reakcję utleniania zanieczyszczeń w wodzie na ustalonym przez nas etapie i otrzymywać substancje ważne dla przemysłu” – podkreśla naukowiec.

Jak można sobie wyobrazić, zastosowanie technologii będzie bardzo szerokie. Wszystko przez to, że wykonane z fotokatalizatorów pokrycia charakteryzują się wystarczającą odpornością mechaniczną, by stosować je np. do elementów wyposażenia basenów. W warunkach dobrego nasłonecznienia woda w tak przygotowanym basenie podlegałaby ciągłemu samooczyszczaniu. Tak samo może być ze ścianami budynków, które – pokryte warstwą fotokatalizatora – nie będą się po prostu brudzić.

Kiedy technologia trafi do przemysłowego zastosowania? „Już teraz możemy usiąść z partnerami biznesowymi i pokazać im wstępne koszty i korzyści. Same materiały wykorzystywane w procesie fotokatalizy nie są drogie, a w związku z tym zastosowanie technologii na skalę przemysłową z pewnością jest cenowo bardzo atrakcyjne” – wyjaśniają w IChF PAN.

Obecnie naukowcy szacują, że są w stanie przygotować technologię do zastosowania przemysłowego w 5–7 lat. Chyba że znajdzie się firma, dzięki której badania ulegną przyśpieszeniu.

Badania były finansowane z międzynarodowego grantu reintegracyjnego Marii Skłodowskiej–Curie w ramach 7. Programu Ramowego Unii Europejskiej oraz przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego.