Крошечные сферы способны эффективно очищать загрязненную воду
Учёные из Университета Райса изобрели нечто предназначенное для очистки воды, действующее подобно цветку венерина мухоловка.
Сферические частицы микронных размеров, созданные инженером Педро Алварецом, предназначены для захвата и разрушения бисфенола-А (БФА) — синтетического соединения, используемого в производстве пластмасс.
Подпись к изображению: Аспирант Университета Райса Даннинг Жанг, руководивший созданием частицы, которая притягивает и разрушает загрязняющие вещества в воде
Об исследовании подробно сообщает журнал Американского химического общества Environmental Science & Technology.
БФА обычно используется для покрытия изнутри консервных банок и водопроводных труб, и даже бутылочек для кормления младенцев. Попадающий в воду и пищу БФА в небольших дозах считается безвредным, однако длительное его воздействие может влиять на здоровье детей и способствовать повышению кровяного давления.
Хорошая новость в том, что активные формы кислорода (АФК) — гидроксильные радикалы — нейтрализуют БФА. Простой диоксид титана выделяет АФК под воздействием ультрафиолета. Но поскольку окисляющие молекулы быстро нейтрализуются, БФА должен находится рядом с атакующим его диоксидом титана.
Вот тут и кроется ловушка.
«Сфера» на самом деле похожа на цветок с лепестками из диоксида титана. Гибкие лепестки предоставляют обширную площадь для прикрепления к ним молекул циклодекстрина.
Циклодекстрин — это полезная сахароподобная молекула, часто используемая в пищевых продуктах и лекарствах. Она имеет двустороннюю структуру, с гидрофобной полостью и гидрофильной внешней поверхностью. Бисфенол А (БФА) тоже гидрофобен и естественным образом притягивается к полости. Будучи захваченным, он разлагается на безвредные соединения под действием активного кислорода.
В лаборатории исследователи определили, что 200 миллиграмм этих сферических частиц в литре загрязнённой воды разложили 90 процентов БФА в течение часа, что при использовании диоксида титана потребовало бы вдвое больше времени.
Эта работа согласуется с технологиями, разрабатываемыми в принадлежащем Университету Райса Центре нанотехнологий для обработки воды, поскольку сферы получаются самосборкой из нанолистиков диоксида титана.
«В большинство процессов, упоминаемых в литературе, задействованы наночастицы, — говорит аспирант и ведущий автор Даннинг Жанг. — Размер таких частиц менее 100 нанометров. Ввиду столь малого размера их очень трудно извлечь из воды».
В работе Университета Райса частицы значительно крупнее. Частица в 100 нанометров в тысячу раз меньше толщины человеческого волоса, а частицы диоксида титана имеют размер от 3 до 5 микрон, то есть всего в 20 раз меньше толщины волоса. «Это означает, что мы можем применить микрофильтрацию под низким давлением для извлечения этих частиц с целью повторного использования, — объясняет Жанг. — Это экономит значительную энергию».
Поскольку активные формы кислорода (АФК) подавляют также и циклодекстрин, сферы начинают терять свою способность к захвату примерно через 400 часов воздействия ультрафиолета. Но будучи извлечёнными, они легко восстанавливаются.
«Этот новый материал помогает преодолеть два существенных технологических барьера в области фотокаталитической обработки воды, — говорит Алварец. — Во-первых, он повышает эффективность обработки, сводя к минимуму захват АФК ненужными элементами, присутствующими в воде. Здесь АФК используются в основном для разрушения БФА. Во-вторых, он позволяет недорого выделить катализатор обратно для повторного использования, что опять же снижает стоимость. Это — пример того, как передовой материала помогает превратить академические достижения в реальные процессы, способствующие безопасности воды».
10.10.2018 10:18
