| 1. Fotokatalizatory z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk w
Warszawie, wykonane z dwutlenku tytanu z dodatkami żelaza lub chromu i
osadzone na drobinach krzemionki lub zeolitu, skutecznie oczyszczają
wodę z zanieczyszczeń fenolem i celulozą. Na zdjęciu: dr inż. Juan
Carlos Colmenares z IChF PAN. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski) |
Do zanieczyszczonej fenolem i celulozą wody wsypujemy odrobinę
odpowiednio przygotowanego proszku. Trochę słońca i po kwadransie
szkodliwe substancje znikają, a proszek można odfiltrować i użyć
ponownie. Brzmi jak bajka? Może, ale to nie magia, lecz umiejętne
wykorzystanie chemii i fizyki przez naukowców z Instytutu Chemii
Fizycznej PAN w Warszawie.
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 Instytutu Chemii Fizycznej PAN
(IChF PAN) w Warszawie.
Katalizatory to substancje, które uczestnicząc w reakcjach
przyspieszają 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 Instytucie Chemii
Fizycznej 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 przypadku 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 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 w tym celu
przefiltrować wodę. Odzyskany proszek można wykorzystać ponownie, przy
czym kilkukrotne powtórzenie cyklu nie wpływa znacząco na wydajność
pracy katalizatora.
Nowe fotokatalizatory mogą trafić także poza przemysł. Wykonane z nich
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.
"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 dr Colmenares.
Badania były finansowane z międzynarodowego grantu reintegracyjnego
Marii Skłodowskiej-Curie w ramach 7. Programu Ramowego Unii Europejskiej
oraz przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego.
Źródło: Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk |