Ispuštene u velikim količinama od strane tekstilnih, kozmetičkih, mastila, papira i drugih proizvođača, boje nose visoku toksičnost i mogu dovesti potencijalne kancerogene tvari u otpadne vode. To je velika briga za prečišćavanje otpadnih voda – ali istraživači sa Inženjerskog fakulteta Univerziteta Drekel su možda pronašli rešenje, koristeći mali nanofilament.
Voditelj studije Mišel Barsoum, dr, ugledni univerzitetski profesor na Fakultetu inženjerskih nauka, i njegov tim, uključujući istraživače sa Univerziteta Drekel, otkrili su da jednodimenzionalni, lepidokrocit strukturiran fotokatalizator materijal od titanijum oksida ima sposobnost da razbije dva uobičajena zagađivača boje — rodamin 6G i kristalno ljubičastu — pod spektrom vidljive svetlosti.
Materijal je takođe smanjio te koncentracije boje u vodi za 90% i 64%, respektivno, za samo 30 minuta, kada je početni odnos mase katalizatora i boje bio 1 prema 1.
„Ovo je uzbudljivo otkriće jer pomaže u rešavanju problema koji je bio pravi izazov za proces prečišćavanja vode“, rekao je Barsoum. „Očekujemo da bi integracija našeg fotokatalizatora od titanijum-oksida u trenutne procese mogla poboljšati njegovu efikasnost u uklanjanju ovih hemikalija, kao i smanjenje količine energije potrebne za to.
Proces počinje adsorpcijom, gde se boja prijanja na površinu nanofilamenta, a kada se osvetli, prolazi kroz fotokatalizu. Boja senzibilizira nanofilamente na vidljivu svetlost. Ovaj proces ubrzava razgradnju, omogućavajući boji da se raspadne na bezopasne nusproizvode kao što su ugljen-dioksid i voda.
Studija, koja je nedavno objavljena u časopisu Matter, otkrila je da je ključ za proces degradacije boje i samosenzibilizacije sposobnost materijala da generiše elektronske rupe i nešto što se zove „ROS“ – hidroksil, superoksid i singletni kiseonik, radikali, kao što su kao i elektronske „rupe“.
Dve mete za bojenje su obično ispadne vode izazvane bojom u otpadnim vodama. Efluent, što bukvalno znači nešto što teče, razlikuje se od kanalizacije koja se nalazi u otpadnim vodama. Čvrsti otpad se može filtrirati, ukloniti pre nego što se voda prečisti. Efluent je suspendovan u vodi, što otežava odvajanje i uklanjanje.
Rodamin 6G je boja dobijena od ksantena koja se prvenstveno koristi u preradi drveta, bojenju papira, mastilu za olovke i kozmetici. Kristalna ljubičica, trifenilmetanska boja, koristi se za bojenje mastila i tekstila. Ove boje su rastvorljive u vodi i svaki višak se ispušta kao efluent.
Otpadne vode predstavljaju veliki problem životne sredine širom sveta i njeno postojanje ima dugoročne uticaje na zdravlje ljudi, vodenih biljaka i životinja. Domaćinstva i industrija generišu skoro 380 milijardi kubnih tona otpadnih voda širom sveta svake godine. Samo 24% ovoga se tretira u dovoljnoj meri zbog izazova u tretmanu, uključujući visoku potrošnju energije, postojanje zaostalih hemikalija, osoblje centara za tretman i nedovoljnu obradu složenih i postojanih zagađivača, uključujući boje.
Najčešći metodi prečišćavanja otpadnih voda, kao što su sedimentacija, biološka oksidacija i hemijsko-fizički tretman, su neefikasne u uklanjanju boja, prema istraživačima, zbog složene molekularne strukture boja i prirode rastvorljive u vodi.
Adsorpcija sa glinenim materijalima, aktivnim ugljem, oksidom gvožđa i prirodnim materijalima, kao što je talog kafe, takođe je korišćena ranije i pokazuje visoko uzimanje katjonskih boja, razmenu jona ili formiranje veza. Međutim, ovi materijali jednostavno omogućavaju odvajanje boje od vode – boja i dalje postoji i jednostavno je pričvršćena za adsorbentne materijale unutar otpadne vode.
Fotokatalizatori, za koje se dugo smatralo da su ključ za uklanjanje boja iz vode, do sada nisu proizveli održivo rešenje. Prema Barsoumu, mnogi fotokatalizatori obično zahtevaju tretman UV svetlom, koji koristi veliku energiju. Uticaj novog nanofilamenta leži u njegovom ponašanju samosenzibilizacije, što čini nanofilament osetljivijim na vidljivu svetlost.
„Upotreba vidljive svetlosti — svetlosti koju ljudsko oko može da vidi — poput sunca ili drugih simuliranih izvora svetlosti, mogla bi značajno da smanji finansijske troškove i troškove potrošnje energije povezane sa tretmanom, dok je i dalje veoma efikasna u uklanjanju boja iz otpadnih voda, eliminišući toksične otpadne vode“, rekao je Adam Valter, doktorant u Barsoumovoj istraživačkoj grupi i prvi autor rada, na Odseku za nauku o materijalima i inženjerstvo.
„Ovo takođe predstavlja uzbudljivu priliku za širenje na druga polja poput solarnih ćelija ili optičkih uređaja.“
Rezultat: čistija voda bez upotrebe dodatnih toksina ili dodatne energije.
Da bi sproveo studiju, tim je koristio difrakciju rendgenskih zraka da bi karakterisao raspored atoma u nanomaterijalu. Oni su dalje karakterisali nanomaterijal pomoću skenirajuće i transmisione elektronske mikroskopije, koja šalje snopove elektrona na materijal da formira sliku.
Da bi pratio dekolorizaciju boje, tim je pratio uzorak korišćenjem ultraviolentno-vidljive spektroskopije i kvantifikovane mineralizacije hemijskom potražnjom kiseonika. Studija detaljno opisuje strukturna i optička svojstva nanofilamenata, kao i obećanje materijala za tretman otpadnih voda zbog njegove efikasnosti adsorpcije obe boje testirane u studiji.
Jedan od najvažnijih nalaza studije bio je jak dokaz da je nanofilament osetljiv na boju, što predstavlja simbiotski odnos aditiva i efluenta koji je rezultirao čistijom, manje toksičnom vodom. Jedan način razmišljanja o ovome, rekao je Valter, je da boja katalizuje sopstveno uništenje.
Pored toga, iako je ova studija pokazala dokaz da se nanofilament može iskoristiti za poboljšanje sposobnosti tretmana vode, ona takođe služi kao prvi dokaz da se materijali mogu senzibilisati, otvarajući vrata drugim aplikacijama u solarnim ćelijama i optičkim uređajima. Ranije ove godine tim je proučavao isti nanofilament i otkrio da koristi sunčevu svetlost za odvajanje vodonika, što bi moglo da otključa njegov potencijal u proizvodnji zelenog goriva.
„Tek počinjemo da otkrivamo mogućnosti ovog materijala“, rekao je Barsum. „Kako bolje razumemo procese koji omogućavaju njegovo ponašanje, predviđamo da ćemo istražiti nove aplikacije gde bi to moglo da poboljša performanse tehnologije koja je svetu potrebna da bi se kretao ka održivijoj budućnosti.“
