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 доктора химических наук, декана химического факультета Института естественных и точных наук Вячеслава Авдина. Ученые работают с фотокатализаторами на основе переходных металлов. Образцы представлены нанопорошками. Эффективность таких катализаторов высока – однако у них есть недостаток: 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.
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˚С в веществах на основе диоксида титана зачастую наблюдается агломерация кристаллов – чем больше их размер, тем хуже каталитическая активность – и переход анатаза в рутил, то есть 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˚С, потому что нанокристаллы анатаза стабилизированы в силикатной матрице.
Фаза гидрофильного смешанного оксида кремния-титана также обеспечивает высокую адгезию (сцепление поверхностей разнородных тел) покрытия с подложкой и высокую механическую прочность. Для ее создания использовались пластины травленого натрийсиликатного стекла, которые являются гидрофильным материалом. Микропористость вещества тоже повышает активность катализатора, потому что благодаря ей обеспечивается высокая удельная 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.
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 нанометров, мощность облучения – 600 Вт/м2.
Когда лабораторные испытания будут завершены, запатентованное покрытие хотят проверить на реальных пробах сточных вод. Следующим шагом станет 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 правительств Челябинской, Свердловской и Курганской областей.
ЮУрГУ – участник Проекта 5-100, призванного повысить конкурентоспособность российских университетов среди ведущих мировых научно-образовательных центров.