Загрязнение воды – одна из проблем, с которой сталкиваются в промышленных регионах. Решить ее можно, очищая сточные воды предприятий до их попадания в водоемы общего пользования. Современные средства очистки эффективные, но дорогие или неудобные в использовании. Однако ученые ЮУрГУ разработали новый способ получения материала для очистки стоков, превосходящий существующие аналоги. На разработку уже получен патент.
Главная проблема сточных вод
Все промышленные предприятия, независимо от рода деятельности, загрязняют водные экосистемы сточными водами. В стоках содержатся стойкие органические соединения – ядовитые вещества, негативно влияющие на здоровье людей и окружающую среду. Такие соединения необходимо удалять из вод, чтобы не допустить их распространения.
В настоящее время активно используются два способа очистки сточных вод от органических соединений: адсорбция и реагентное окисление. Однако их считают дорогими, гораздо дешевле и выгоднее в использовании безреагентная фотокаталитическая очистка воды.
В Южно-Уральском государственном университете несколько лет занимаются вопросом разработки фотокатализаторов. Исследования ведутся под руководством д.х.н., декана Химического факультета Института естественных и точных наук Вячеслава Авдина. Ученые работают с фотокатализаторами на основе переходных металлов. Образцы представлены нанопорошками. Их эффективность высока, но минус таких катализаторов в том, что наночастицы сложно извлечь из воды после процесса очистки.
Инновационный материал для очистки
Новое исследование, проведенное учеными ЮУрГУ, позволило получить фотокатализатор с термостабильным микропористым покрытием на основе смешанного оксида титана-кремния. Макроформа удобна в использовании, при этом вещество по активности не уступает наночастицам. На инновационный способ получения фотокатализатора получено патентное свидетельство №2733936.
«Инновационность нашего способа состоит в том, что он позволяет с помощью относительно недорогих и малотоксичных реактивов и в результате относительно несложной процедуры получать механически прочные термостабильные микропористые покрытия на основе анатаза. Они проявляют довольно высокую фотокаталитическую активность по отношению к стойким органическим загрязнителям (таким, как фенольные соединения) даже при низкой мощности ультрафиолетового облучения», — объяснил автор патента, аспирант кафедры «Экологии и химической технологии» ИЕТН ЮУрГУ Александр Горшков.
.jpg)
На фото: аспирант ЮУрГУ Александр Горшков
У существующих аналогов фотокатализатора в виде термостабильного микропористого покрытия есть общий недостаток: низкая термическая стабильность, ограничивающая их применение во многих технологических процессах. Так, при нагревании свыше 400 градусов Цельсия в веществах на основе диоксида титана зачастую наблюдается агломерация кристаллов (чем больше их размер, тем хуже каталитическая активность) и переход анатаза в рутил (смена полиморфных модификаций диоксида титана).
Уникальные свойства покрытия
Предложенный Александром Горшковым способ получения термостабильного покрытия с фотокаталитическими свойствами не дает снизить активность вещества даже при нагревании его до 700 градусов Цельсия, потому что нанокристаллы анатаза стабилизированы в силикатной матрице.
Фаза гидрофильного смешанного оксида кремния-титана также обеспечивает высокую адгезию (сцепление поверхностей разнородных тел) и высокую механическую прочность покрытия с подложкой. Для ее создания использовались пластины травленого натрийсиликатного стекла, которые являются гидрофильным материалом.
Микропористость вещества тоже повышает активность катализатора, потому что это свойство влияет на высокую удельную площадь поверхности.
«Кроме того, адсорбционный механизм в микропорах отличается от такового в макро- и мезопорах. В микропорах субстрат заполняет весь объём поры, а не только внутреннюю поверхность. Адсорбция субстрата (в нашем случае – стойких органических загрязнителей) на фотокатализаторе является важной стадией процесса фотодеструкции, и в микропористых материалах он протекает лучше», – рассказал Александр Горшков.
.jpg)
На фото: образцы пластин с нанесенным инновационным покрытием
От фотокатализатора до водоочистной установки
Разработанное покрытие (147 миллиграммов на пластине) показало хороший результат во время испытаний на феноле, модельном соединении. Фотодеструкции подверглось 38% органического соединения, представленного в 50 миллилитрах раствора в концентрации 10 мг/л, после часа облучения ультрафиолетом. Длина волны составляла 405 нм, мощность облучения – 600 Вт/м2.
Когда лабораторные испытания будут завершены, запатентованное покрытие хотят проверить на реальных пробах сточных вод. Следующим шагом будет разработка, создание и испытание пилотной водоочистной установки.
Исследования в области новых материалов и экологии в числе приоритетов Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня (УМНОЦ) «Передовые производственные технологии и материалы», который в настоящее время создается объединенными усилиями УрФУ, ЮУрГУ, КГУ, других региональных высших учебных заведений, Уральского отделения РАН, промышленных предприятий и правительства Челябинской, Свердловской и Курганской областей.
ЮУрГУ – участник Проекта «5-100», призванного повысить конкурентоспособность российских университетов среди ведущих мировых научно-образовательных центров.
СМИ о нас:
Известия: Битва титана: российские ученые разработали новое средство для очистки сточных вод
Seldon.News: Битва титана: российские ученые разработали новое средство для очистки сточных вод