Томские ученые создали фотокатализатор для очистки сточных вод
Ученые Томского научного центра СО РАН (ТНЦ СО РАН), используя метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, получили новый железосодержащий керамический фотокатализатор, предназначенный для очистки сточных вод от метиленового синего. Эффективность разложения этого опасного органического красителя достигает 100 % и занимает всего 30 минут при использовании источника видимого света и 60 минут — при воздействии ультрафиолетового излучения.
Метиленовый синий — промышленный краситель, который используют при производстве тканей, бумаги и медицинских препаратов. Он попадает в сточные воды вместе с отходами этих предприятий. Он токсичен для водных организмов и человека, медленно разлагается в природных условиях и может накапливаться в окружающей среде. Поэтому его необходимо удалять из промышленных сточных вод, чтобы предотвратить экологический ущерб и риски для здоровья.
Предложенный катализатор получают из порошков ферросилиция и шунгита, которые предварительно высушивают и смешивают в определенном соотношении. Полученную смесь засыпают в цилиндрическую газопроницаемую трубку, где подвергают азотированию при высоком давлении. Затем образец поджигают с помощью горючей смеси и молибденовой спирали, через которую пропускался электрический ток. Волна горения достигает температуры 2000 °C в течение нескольких минут, распространяясь вниз по образцу. После остывания продукт синтеза представляет собой пористый спек, его последующее измельчение позволяет получить готовый фотокатализатор.
«Этот метод экономически эффективен, ведь катализатор производится из доступного, недорогого сырья, а его основной компонент, ферросилиций, это и вовсе один из промышленных отходов. Кроме того, фотокатализатор экологически безопасен, поскольку, в отличие от гомогенных систем Фентона, работает при нейтральных значениях рН и не приводит к образованию вторичных отходов в виде железного шлама», — рассказала один из авторов исследования, старший научный сотрудник лаборатории функциональных керамических материалов ТНЦ СО РАН, кандидат технических наук Ольга Крюкова.
По словам ученых, использование нового фотокатализатора имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными технологиями. В их числе — высокая скорость очистки, простота процесса, состоящего из одной стадии и не требующего применения многократных обработок и фильтраций.
«Высокая эффективность деградации метиленового синего обусловлена синергией компонентов композита и смешанной окислительной системой (перекиси водорода и щавелевой кислоты). Добавление перекиси водорода запускает цикл реакций Фентона, где ее разложение в присутствии железа приводит к образованию высокоактивных гидроксильных радикалов. Этот процесс усиливается введением щавелевой кислоты, способствующей формированию фотоактивных ферриоксалатных комплексов. Основной вклад в генерацию радикалов вносит циклическая регенерация пар двухвалентного и трехвалентного железа на поверхности катализатора, что значительно ускоряет фото-Фентон процесс, по сравнению с системами обычной фотоактивации», — пояснила младший научный сотрудник лаборатории функциональных керамических материалов ТНЦ СО РАН Татьяна Татаринова.
Результаты показали, что новый фотокатализатор полностью разлагает метиленовый синий за 30 минут при видимом свете и за час — при УФ-излучении. При этом, его эффективность не ухудшается после нескольких циклов использования: железо перераспределяется по поверхности композитной матрицы, образуя новые активные центры, что обеспечивает самовосстановление катализатора в процессе его работы.
В настоящее время ученые работают над масштабированием метода и разрабатывают установку для проточной очистки сточных вод с использованием нового фотокатализатора.