Chemische navigatie: wetenschappers ontwikkelen een waterzuiveringsmethode met behulp van nanodeeltjes

Chemici van de Universiteit van Sint-Petersburg hebben een methode ontwikkeld om water uit organische verbindingen te zuiveren met behulp van fotokatalysatoren op basis van tinoxide-nanodeeltjes. De bevindingen van het onderzoek worden gepubliceerd in het Journal of legeringen en verbindingen .

Waterverontreiniging is een acuut milieuprobleem. Door de snelle industriële ontwikkeling en toenemende hoeveelheden afvalwater gaat de ecologie van waterlichamen achteruit. Wetenschappers werken daarom hard aan het ontwikkelen van nieuwe manieren om industriële lozingen te behandelen die snel en zonder onnodig afval water zouden zuiveren van complexe verontreinigende stoffen zoals organische kleurstoffen.

Een van de meest veelbelovende benaderingen in afvalwaterzuiveringstechnologie om water te zuiveren, is het gebruik van fotokatalyse. Het is een proces waarbij lichtenergie wordt gebruikt om chemische reacties op gang te brengen om organische verbindingen af ​​te breken tot koolstofdioxide en water door de aanwezigheid van een katalysator – een speciaal materiaal in de vorm van nanodeeltjes. Tot nu toe was er geen begrip van wat precies de efficiëntie en snelheid van een dergelijke zuivering bepaalt: de grootte van de deeltjes, de kenmerken van hun structuur of hun samenstelling. De onderzoekers van de Universiteit van Sint-Petersburg hebben het antwoord op deze vraag gevonden.

De chemici van de St. Petersburg University stelden een systematische aanpak voor om een ​​bepaalde verontreinigende stof te matchen met nanodeeltjes voor gebruik in fotokatalytische waterzuiveringsinstallaties. De ontwikkelde materialen vertonen fotokatalytische activiteit wanneer ze worden blootgesteld aan zichtbaar licht van gewone diodelampen, die in alle opzichten goedkoper en gemakkelijker te bedienen zijn dan de eerder gebruikte ultravioletlampen.

“We bieden een fundamenteel nieuwe aanpak, die te vergelijken is met een wegnavigatiesysteem. Zo kun je bij het kiezen van een route naar je bestemming een gewone papieren kaart gebruiken, zelf in real time je route uitstippelen, geleid door verkeersborden en de situatie.

“We stellen een algoritme voor vergelijkbaar met moderne navigatiesystemen dat voor elke gewenste bestemming verschillende route-opties verwerkt, de huidige verkeerssituatie analyseert en de kortste route selecteert. Waar voorheen de materialen voor fotokatalysatoren bijna willekeurig werden gekozen, wordt dit proces tegenwoordig doordacht en goed gefundeerd, “zei Anastasiia Podurets, hoofdonderzoeker van het project en een vroege carrière-onderzoeker bij de afdeling Algemene en Anorganische Chemie aan de Universiteit van St. Petersburg.

Er werd gebruik gemaakt van nanodeeltjes op basis van tindioxide met drie elementen (kobalt, nikkel, koper). Het onderzoeksteam van synthese en onderzoek van nanodeeltjes en nanogestructureerde materialen heeft een grootschalige studie uitgevoerd van de vormingsprocessen van nanodeeltjes en producten van fotokatalytische afbraak van verontreinigende stoffen onder verschillende omstandigheden.

De wetenschappers hebben ontdekt dat het, om een ​​effectieve katalysator te creëren, nodig is om de synthese ervan zo te organiseren dat een vast lichaam met het maximale aantal zuurstofvacatures – roosterdefecten als er geen individuele atomen in zitten – wordt gevormd. . Het zijn de vacatures die ervoor zorgen dat de opkomende elektron-gatparen worden overgebracht naar het oppervlak van nanodeeltjes, waar ze een belangrijke rol spelen bij de vernietiging van vervuilende moleculen. Het is belangrijk om niet te veel andere defecten te hebben, anders is het resultaat het tegenovergestelde. De ontwikkelde aanpak heeft zich bewezen met de veelgebruikte organische kleurstof methyleenblauw en het antibioticum oxytetracycline.

In de tijdschriften zijn ook onderzoeken gepubliceerd naar methoden voor watersanering met behulp van nanodeeltjes Materiaalchemie en natuurkunde en Tijdschrift voor gevaarlijke stoffen.

Naast fotokatalyse toonden de wetenschappers de antibacteriële activiteit van de gesynthetiseerde nanodeeltjes aan met behulp van E. coli-bacteriën. Omdat de vernietigingsmechanismen van organische moleculen vergelijkbaar zijn met die gebruikt voor het neutraliseren van bacteriën, zijn effectieve fotokatalysatoren ook in staat om de overeenkomstige bacteriën te vernietigen.

De onderzoekers zeggen dat deze methode ook van toepassing is op andere verontreinigende stoffen: er zijn speciale berekeningen nodig om te begrijpen hoe de parameters van nanodeeltjes tegen verschillende verontreinigende stoffen kunnen worden veranderd.