Томские ученые разработали наночастицы для очистки воды от антибиотиков и красителей
Ученые Томского государственного университета (ТГУ) и Института физики прочности и материаловедения СО РАН предложили для очистки водоемов от антибиотиков и красителей из сточных вод промышленных и фармацевтических предприятий использовать наночастицы на основе титаната цинка. Под действием видимого света они разлагают опасные органические соединения.
Антибиотики и синтетические красители, такие как метиленовый синий, практически не разлагаются в природной среде. Попадая со сточными водами в водоемы, они накапливаются, вызывают устойчивость бактерий к лекарствам и наносят вред здоровью человека. Традиционные методы очистки с ними не справляются. Одной из самых перспективных альтернатив считается фотокатализ — технология, при которой под действием света на поверхности наночастиц образуются активные радикалы, разрушающие органические молекулы.
Обычные фотокатализаторы — оксид цинка или диоксид титана— имеют два недостатка. Во-первых, они работают, в основном, под действием ультрафиолета, а не видимого света. Во-вторых, в таких фотокатализаторах положительные и отрицательные заряды сталкиваются и гасят друг друга, вместо того, чтобы образовывать активные радикалы. Это снижает эффективность.
Обе эти проблемы решает создание гетерофазных материалов. Гетеропереход между оксидом металла и титанатом цинка позволяет разделять положительные и отрицательные заряды, направляя их по разным «дорогам», и смещает чувствительность катализатора в видимую область спектра — делает его чувствительным к обычному свету.
Авторы исследования методом электроразрыва двух скрученных проволок — цинковой и титановой — в кислородсодержащей атмосфере получили гетерофазные наночастицы на основе титаната цинка. Такой метод, в отличие от химических методов синтеза, имеет важные преимущества: одностадийность, высокую чистоту продукта, узкое распределение частиц по размерам и экологическую безопасность.
В зависимости от диаметра проволок были получены два типа частиц: оксид цинка плюс титанат цинка и диоксид титана плюс титанат цинка. Средний размер частиц — 60–63 нм, что примерно в тысячу раз тоньше человеческого волоса.
Для проверки эффективности на реальном загрязнителе ученые взяли гидрохлорид тетрациклина — широко применяемый антибиотик. При концентрации 10 мг/л и добавлении 50 мг наночастиц оксида цинка с титанатом цинка на 100 мл воды за час разложилось 69,4 % антибиотика. Когда количество катализатора увеличили до 150 мг (при той же концентрации антибиотика 10 мг/л), эффективность за два часа достигла 82 %. Для сравнения: без наночастиц под тем же светом за два часа разложилось не более 5 % тетрациклина.
Под действием видимого света в присутствии наночастиц за час разложилось 92,5 % метиленового синего — синтетического красителя, который тоже трудно удалять из воды. Чистые оксиды цинка и титана в тех же условиях показали эффективность 15 % и 8,5 % соответственно.
«Такая эффективность за час — это отличный лабораторный результат. Наши дальнейшие исследования запланированы в сторону поиска носителя для нанесения наночастиц, для создания очистных фильтрационных мембран. Это решение позволит использовать наночастицы многократно с большей эффективностью, а также масштабировать данную технологию», — рассказала один из авторов исследования, младший научный сотрудник лаборатории нанотехнологий металлургии физико-технического факультета ТГУ Валерия Чжоу.
Исследователи выяснили механизм действия новых наночастиц. С помощью веществ-ловушек они установили, что ключевую роль играют супероксидные и гидроксильные радикалы — высокоактивные частицы, образующиеся на поверхности наночастиц под действием видимого света, в том числе солнечного. Они атакуют органические молекулы и разрушают их до безопасных компонентов.
Наночастицы сохранили высокую активность после четырех циклов использования: к примеру, после третьего цикла снижение составило всего 5 %. Такой результат, по мнению ученых, свидетельствует о возможности многократного использования наночастиц.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки России по программе «Приоритет-2030» нацпроекта «Молодежь и дети».