Аспирант ЮУрГУ, сотрудник лаборатории экологических проблем постиндустриальной агломерации Владислав Фадеев разрабатывает новые электроды для электрохимического метода очистки сточных вод от органических загрязнителей. Работа ведется в рамках национального проекта «Наука и университеты».
Методика очистки с использованием электроактивных материалов относится к так называемым безреагентным методам. Реализация исследования создает предпосылки для формирования высокоэффективных систем очистки воды в крупных индустриальных центрах.
«В качестве электрода был выбран титан, – рассказывает Владислав Фадеев. – У него отличные механические свойства (он твердый и надежный), низкая плотность, а кроме того, он проводит электричество. Однако мы улучшаем его качество, нанося поверх титановой пластины дополнительные слои».
Итак, есть титановый электрод, а есть слой, который обеспечивает реакцию. Между ними находится слой из оксидов олова и сурьмы, что делает само покрытие стойким и увеличивает срок его службы. Ведь эти материалы химически стабильны, то есть долго не будут разрушаться, особенно в кислых средах. Диффузия кислорода замедлится, а с ним образование нежелательных для нас оксидов титана. Нанесение оксидов олова и сурьмы осуществляется с использованием ультразвука по методу Печини.
Следующими служат слои четырехвалентного свинца, альфа- и бета-формы. Оксид свинца – наиболее изученный и предпочтительный материал: он дешевый, химически инертный и обладающий хорошей электропроводностью. Однако свинцовые электроды и экологическая безопасность – звучит не слишком совместимо?
«Ионы свинца действительно токсичны для любого живого организма, и наша задача – создать не просто высокоэффективный материал, но такой, который обладал бы высокой прочностью, что поможет максимально снизить вероятность разрушения покрытия и минимизировать попадание токсичных материалов в воду», – говорит ученый.
Допирование, то есть встраивание в кристаллическую решетку оксида свинца редкоземельных элементов, улучшает окислительные свойства электрода.
Наиболее изученными в этом плане являются аноды, допированные лантаном, эрбием, гадолинием и церием. Что касается большинства остальных лантаноидов, информация об их допировании и эффективности в электрохимическом методе очистки воды либо недостаточна, либо фрагментарна.
Но молодые учёные ЮУрГУ берутся заполнить один из фрагментов.
«Наша научная группа занимается допированием ранее неисследованного элемента – гольмия, – говорит Владислав. – В этом отношении мы первопроходцы. В случае, если результаты опытов с гольмием будут положительными, мы попробуем использовать вместо него иттрий, неодим, самарий, европий, тербий, диспрозий, тулий, иттербий и лютеций. В конечном итоге планируется мультиэлементное допирование – двумя-тремя редкоземельными элементами. Работы у нас много».
На данном этапе для отработки эксперимента в качестве модельного загрязнителя используется катионный органический краситель – метиленовый синий. За час в лабораторных условиях с помощью модифицированных плоских титановых электродов с активной площадью порядка 11 см2 при напряжении 5 В удаётся практически полностью (~ 98 %) разложить загрязнитель с концентрацией 20 мг/л в воде. Сейчас идёт работа над масштабированием процесса и стабильной воспроизводимостью результатов.
Очистку воды важно проводить так, чтобы не получить еще более токсичные продукты. Задача – добиться полной «минерализации». Нет, к минералам этот термин отношения не имеет, речь о том, чтобы в ходе многочисленных реакций остались лишь вода и углекислый газ. Пока идёт отработка методики. В дальнейшем ученые планируют устранять проблемные для региона классы органических соединений: фенольные производные, формальдегиды, ПАВы – то есть не только выбросы производств и лабораторий, но и бытовые отходы.
«В XXI веке введено понятие – класс стойких органических загрязнителей (СОЗ), – объясняет Владислав Фадеев. – Это неоднородная группа веществ, присутствие которых не удавалось обнаружить раньше, так как не было чувствительных аналитических методов и, кроме того, не было надежных данных об их возможном воздействии на здоровье живых организмов».
Проблема современного разложения органических загрязнителей заключается в том, что традиционные методы очистки не способны в полной мере справиться с нынешними количествами и видами СОЗ. К таким соединениям относятся полиароматические, хлорорганические соединения, различные пестициды и гербициды, а также антибиотики и лекарственные препараты. Проблема последних состоит в том, что они могут не полностью пройти процессы метаболизма человека и вывестись естественным путём в сточные воды.
Разработанные материалы будут адаптированы под титановые электроды с развитой поверхностью: титановые пористые электроды, титан, нанесенный на тканные/нетканные материалы для применения на практике.
Работа Владислава Фадеева выполняется в рамках мегагранта, выделенного Министерством образования и науки РФ. Разработки ведутся в коллаборации с группой исследователей из Университета Белграда, руководимой профессором Далибором Миодрагом Станковичем.
Лабораторная стадия сменится стадией внедрения, и на Урале появится собственная, инновационная и импортонезависимая технология очистки воды, которая сможет справиться с теми загрязнителями, за которые раньше и не бралась.
#МолодыеУченые