Как очищать воду от фенола, красителей и других загрязнителей, созданных человеком? Можно добавить в воду какой-нибудь реагент, но не факт, что результатом не станет ещё более проблемное загрязнение.
На помощь приходят фотокатализаторы. Это полупроводниковые материалы, которые под воздействием ультрафиолета (специального облучения или просто Солнца) способствуют разложению трудноокисляемых загрязнителей, таким образом обеспечивая очистку воды.
«Известен нитрид углерода (соединение углерода и азота) – надёжный и в то же время не токсичный фотокатализатор. Один из его аллотропов – политриазинимид, когда состав вещества остаётся таким же, как в других соединениях азота и углерода – три атома углерода и четыре азота, но в кристаллической решётке они расположены иначе», – объясняет заведующий кафедрой «Экология и химическая технология» ИЕТН ЮУрГУ Вячеслав Авдин.
На изучении этого вещества – политриазинимида – сосредоточились в своем исследовании учёные ЮУрГУ под руководством доктора химических наук Вячеслава Авдина. Статья по результатам их исследования опубликована недавно в сборнике Всероссийской научно-практической конференции «Современные материалы и методы решения экологических проблем постиндустриальной агломерации».
Политриазинимид – бледно-желтый порошок, состоящий из мельчайших частиц, размером примерно 1,5 мкм. В таком виде транспортировать его тоннами, добавлять в воду, а затем отфильтровывать – проблема. Поэтому порошок добавляют в силикагель (коллоид, золь кремниевой кислоты), высушивают и формируют из него гранулы размером 1,5 мм. Фотокатализатор к применению готов.
Как испытать его фотокаталитическую активность? Учёные взяли в качестве загрязнителя метиленовый оранжевый. Это хорошо знакомый химикам органический краситель. Кстати, использовать его можно, например, для определения кислотности среды. Если среда кислая (рН<7) – краситель станет красным, если щелочная (pH>7) – жёлтым, а собственно оранжевый он только в рН-нейтральной среде.
Итак, предстоит сделать из «оранжевой» воды обратно прозрачную. Была проведена серия экспериментов с разными модификациями силикагеля. При необходимости раствор подкисляли, регулируя его рН.
Добавим, что перед исследователями стояла задача подобрать оптимальную дозировку как фотокатализатора, так и силикагеля. Экспериментально был найден вариант: 200 миллиграммов политриазинимида в 35 мл силикагеля. Он дал лучшие показатели. После установки вода выходит без красителя. Этот состав продемонстрировал и самую высокую скорость очистки. При этом даже самый слабый из участвовавших в эксперименте составов показал результат примерно 30 % эффективности, что тоже неплохо.
Таков был итог на момент публикации научного результата. Теперь, как заверяют учёные, им удаётся добиться 100%-ной очистки воды данным методом, сделать её полностью прозрачной.
Использование фотокатализаторов является сегодня одним из передовых рубежей, где встречаются фундаментальная наука и приложения, востребованные современной индустрией.
Работа выполнена в рамках программы «Приоритет-2030» национального проекта «Наука и университеты».