Генерация «кислородных пираний»: придуман новый метод очистки воды

Ученые из Санкт-Петербургского госуниверситета предложили удалять из воды красители, антибиотики и другие загрязнения с помощью фотокатализаторов. Преимущество нового метода — ​безотходность. Мы узнали подробности у основного исполнителя проекта, сотрудника кафедры общей и неорганической химии СПбГУ Анастасии Подурец.

— Опишите, как работает метод.

— Он основан на идее разрушать, а не фильтровать молекулы загрязнителя, разделяя их на кусочки — ​безвредные молекулы воды и углекислый газ. «Отрыв» кусочка — ​химическая реакция. Существуют вещества, которые в реакции не участвуют, не изменяются, но ускоряют ход этой реакции. Это катализаторы.

Мы используем фотокатализаторы, которые работают, только если на них падает свет. При поглощении света энергия электромагнитной волны передается электронам в материале фотокатализатора. Благодаря полученной энергии у них появляется возможность «путешествовать» по всему объему материала катализатора, оставляя за собой пустое место — ​или, как говорят, дырку. В нее может прийти соседний электрон, и будет казаться, что по объему материала катализатора отдельно путешествуют и электрон, и дырка. Достигнув поверхности катализатора, они способствуют появлению активных форм кислорода — ​в основном в результате взаимодействия с молекулами воды. А активные формы кислорода, как пираньи, набрасываются на органические молекулы загрязнителя, разрывают их. Примерно так же разрушаются органические молекулы в естественных условиях: ­откуда-то появившийся электрон создает одну «кислородную пиранью», которая отрывает от какой-то молекулы кусочек, но на этом все и заканчивается. Фотокатализатор нужен для массового производства «кислородных пираний».

— Почему наночастицы?

— Во-первых, у грамма наночастиц площадь поверхности может достигать десятков квадратных метров, что сравнимо с большой квартирой. Чем больше площадь, тем больше производство «кислородных пираний».

Во-вторых, это связано с особенностями наночастиц с точки зрения образования электронов и дырок. Свойства вещества в форме наночастиц и в форме большого куска сильно отличаются. Если мы возьмем наночастицы разной формы, размера или с иными особенностями строения, то тоже увидим существенные отличия. Это и есть предмет современной науки о наноматериалах — ​поиск и объяснение закономерностей между особенностями состава, строения и свойствами наночастиц. Именно этим мы сейчас занимаемся в рамках гранта Российского научного фонда «Направленное конструирование высокоэффективных фотокатализаторов на основе диоксида олова для очистки сточных вод путем управления процессами ориентационного присоединения».

— В чем преимущества вашей технологии?

— Сегодня наиболее распространены такие способы очистки, как фильтрация, сорбция, обратный осмос, аэрация и обеззараживание ультрафиолетом. Каждый из них предназначен для очистки воды от определенного загрязнения в определенных условиях, причем большинство вообще неприменимо для очистки от растворенных красителей, антибиотиков и других органических соединений. Те способы, которые могут очистить воду от органических загрязнителей, дают отходы, и их надо перерабатывать. Принципиальные отличия нашей технологии — ​универсальность, безотходность и возможность достичь глубокого уровня очистки. Идея безотходной очистки воды очень привлекательна, и все, что нужно для работы, — ​это свет. Как мы уже выяснили, можно использовать даже обычные светодиодные лампы с низким энергопотреблением.

— Где можно применять этот метод?

— В первую очередь на химических и фармацевтических предприятиях, в больницах, животноводческих хозяйствах. Такими установками можно дополнить водоочистные сооружения больших городов.

Однако предстоит решить еще ряд задач. Первая — ​создание композитного материала: закрепление наночастиц на каком-то материале так, чтобы с ними было удобно работать, их не уносило течением, их поверхность была доступна для генерации «кислородных пираний» и деградации молекул загрязнителя. И чтобы не терялась эффективность.

Вторая задача, над которой я буду работать сразу после защиты кандидатской диссертации, — ​это решение проблемы сохранения эффективности фотокаталитического разложения целевых загрязнителей в присутствии других загрязнителей, ингибиторов фотокатализа. В реальных условиях в загрязненной воде может содержаться много различных веществ, способных блокировать поверхность фотокатализатора.

— А что насчет стоимости очистки по этой технологии?

— Конечно, как и любой инновационный продукт, разрабатываемый нами материал, вероятно, будет стоить немного больше, чем те, что используются сейчас. Но, как показали наши эксперименты, фотокатализатор не только позволяет проводить глубокую очистку, но и практически не теряет эффективность, то есть материал на его основе может использоваться достаточно долго.

Кроме того, при постановке фундаментальных задач исследования мы сразу думали об особенностях применения. Так, мы специально проводили эксперименты с обычными светодиодными лампами. Поэтому встраивание в системы очистки не потребует их значительной переделки, не увеличит стоимость и не ужесточит требования техники безопасности.

— Когда начнет применяться этот метод?

— По самым оптимистичным оценкам, первые партии материала могут быть поставлены на очистные сооружения через пять лет. При наличии финансирования нам необходимо около трех лет на получение композитного материала, с которым будет удобно работать, и на доказательство его эффективности. Примерно два года — ​на организацию производства материала и его внедрение в системы очистки.