Красители, сбрасываемые в больших количествах производителями текстиля, косметики, чернил, бумаги и другими производителями, обладают высокой токсичностью и могут приносить в сточные воды потенциальные канцерогены. Это серьезная проблема в области очистки сточных вод, но исследователи из Инженерного колледжа Университета Дрекселя, возможно, нашли решение, используя крошечную нановолокону.

Руководитель исследования Мишель Барсум, доктор философии, заслуженный профессор Университета Инженерного колледжа, и его команда, в том числе исследователи из Колледжа искусств и наук Дрекселя, обнаружили, что одномерный фотокаталитический материал из оксида титана со структурой лепидокрокита обладает способностью расщеплять два распространенных загрязнителя красителей — родамин 6G и кристаллический фиолетовый — в видимом спектре света.

Материал также снизил концентрацию красителей в воде на 90% и 64% соответственно всего за 30 минут, когда соотношение масс исходного катализатора и красителя составляло 1:1.

«Это захватывающее открытие, поскольку оно помогает решить проблему, которая стала настоящей проблемой для процесса очистки воды», — сказал Барсум. «Мы ожидаем, что интеграция нашего фотокатализатора на основе оксида титана в текущие процессы может повысить его эффективность в удалении этих химикатов, а также снизить количество энергии, необходимое для этого».

Процесс начинается с адсорбции, при которой краситель прилипает к поверхности нанонити и после освещения подвергается фотокатализу. Краситель повышает чувствительность нановолокон к видимому свету . Этот процесс ускоряет разложение, позволяя красителю распадаться на безвредные побочные продукты, такие как углекислый газ и вода.

Исследование, недавно опубликованное в журнале Matter , показало, что ключом к процессу деградации красителя и самосенсибилизации является способность материала генерировать электронные дырки и то, что называется «АФК» — гидроксил, супероксид и синглетный кислород, радикалы. а также электронные «дырки».

Две мишени для красителей обычно представляют собой сточные воды, содержащие красители. Сточные воды, что буквально означает то, что вытекает, отличаются от сточных вод, содержащихся в сточных водах. Твердые отходы можно фильтровать и удалять до очистки воды. Сточные воды взвешены в воде, что затрудняет их отделение и удаление.

Родамин 6G — это краситель на основе ксантена, который в основном используется при обработке древесины, крашении бумаги, чернилах для ручек и косметике. Кристаллический фиолетовый, трифенилметановый краситель, используется для окраски чернил и текстиля. Эти красители растворимы в воде, и любой избыток выбрасывается в сточные воды.

Сточные воды представляют собой серьезную экологическую проблему во всем мире, и их существование оказывает долгосрочное воздействие на здоровье людей, водных растений и животных. Ежегодно домашние хозяйства и промышленность производят около 380 миллиардов кубических тонн сточных вод во всем мире. Только 24% из них очищаются в достаточной степени из-за проблем с очисткой, включая высокое потребление энергии, наличие остаточных химикатов, нехватку персонала очистных центров и недостаточную обработку сложных и стойких загрязнителей, включая красители.

По мнению исследователей, наиболее распространенные методы очистки сточных вод, такие как осаждение, биологическое окисление и химико-физическая очистка, неэффективны для удаления красителей из-за сложной молекулярной структуры и водорастворимой природы красителей .

Адсорбция глинистыми материалами, активированным углем, оксидом железа и природными материалами , такими как кофейная гуща, также использовалась раньше и демонстрировала высокое поглощение катионных красителей, обмен ионов или образование связей. Однако эти материалы позволяют просто отделить краситель от воды — краситель все еще существует и просто прикрепляется к адсорбирующим материалам в сточных водах.

Фотокатализаторы, которые долгое время считались ключом к удалению красителей из воды, до сих пор не дали устойчивого решения. По словам Барсума, многие фотокатализаторы обычно требуют обработки ультрафиолетом, которая потребляет много энергии. Воздействие новой нанонити заключается в ее самосенсибилизации, которая делает нанонити более чувствительной к видимому свету.

«Использование видимого света — света, который может видеть человеческий глаз, — такого как солнце или другие имитированные источники света, может значительно снизить финансовые и энергетические затраты, связанные с очисткой, при этом оставаясь при этом высокоэффективным при удалении красителей из сточных вод, устраняя токсичные вещества». сточные воды», — сказал Адам Уолтер, докторант исследовательской группы Барсума и первый автор статьи на факультете материаловедения и инженерии.

«Это также открывает прекрасную возможность для расширения в других областях, таких как солнечные элементы или оптические устройства».

Результат: более чистая вода без использования дополнительных токсинов и дополнительной энергии.

Для проведения исследования команда использовала дифракцию рентгеновских лучей, чтобы охарактеризовать расположение атомов в наноматериале. Далее они охарактеризовали наноматериал с помощью сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, которая направляет лучи электронов на материал для формирования изображения.

Чтобы контролировать обесцвечивание красителя, команда контролировала образец с помощью ультрафиолетовой и видимой спектроскопии и количественно определяла минерализацию по химическому потреблению кислорода. В исследовании подробно описаны структурные и оптические свойства нановолокон, а также перспективность материала для очистки сточных вод благодаря его эффективности адсорбции обоих красителей, протестированных в исследовании.

Одним из наиболее важных результатов исследования стали убедительные доказательства того, что нановолокно становится сенсибилизированным красителем, что представляет собой симбиотические отношения добавки и сточных вод, в результате чего вода становится более чистой и менее токсичной. По словам Уолтера, один из способов думать об этом заключается в том, что краситель катализирует собственное разрушение.

Кроме того, хотя это исследование показало доказательство того, что нановолокно можно использовать для улучшения возможностей очистки воды, оно также служит первым доказательством того, что материалы могут быть сенсибилизированы, открывая двери для других применений в солнечных элементах и ​​оптических устройствах. Ранее в этом году команда изучила ту же самую нановолокно и обнаружила, что она способна использовать солнечный свет для выделения водорода , что может раскрыть ее потенциал в производстве экологически чистого топлива.

«Мы только начинаем раскрывать возможности этого материала», — сказал Барсум. «Поскольку мы лучше понимаем процессы, обеспечивающие его поведение, мы ожидаем изучения новых приложений, в которых он мог бы улучшить производительность технологий, необходимых миру для продвижения к более устойчивому будущему».