В последние годы содержание органических веществ в сточных водах увеличилось — это связано со стремительным развитием химической индустрии во всем мире. Сегодня ученые активно работают над созданием и внедрением целого ряда технологий экологичного производства, чтобы снизить вредное воздействие на окружающую среду.
Среди множества различных органических загрязнителей выделяются два крупных класса — красители и антибиотики, поскольку в больших концентрациях они наиболее токсичны.
Источник: Пресс-служба РНФ
Органические вещества могут попадать в сточные воды как в процессе производства, так и при их использовании. Например, нестойкие красители вымываются из тканей при стирке, а антибиотики частично выводятся из организма с биологическими выделениями и попадают в сточные воды, что в длительной перспективе влияет на естественные биологические процессы. Так, сегодня в большинстве крупных рек мира отмечается небольшое превышение концентраций этих веществ, которое пока не оказывает заметного негативного воздействия на окружающую среду, но в будущем ситуация может стать более критической.
Химики Санкт-Петербургского университета регулярно проводят исследования и создают технологии, позволяющие решать эту проблему. Так, ученые создали сорбент, помогающий очищать сточные воды от антибиотиков, разработали метод очистки с помощью наночастиц и представили нанолисты цинка для систем водоочистки.
В рамках нового проекта, поддержанного грантом Российского научного фонда, команда исследователей предложила удалить молекулы органических загрязнителей — красителей и антибиотиков — с помощью фотокатализа. Как пояснил один из участников проекта, студент Евгений Скрипкин, под действием источника света фотокаталитический материал, находясь в воде, генерирует особые молекулы — активные радикалы или, как их иначе называют, активные формы кислорода, которые разрушают загрязнители.
Графическое резюме исследования. Источник: Skripkin et al. / Chemosphere, 2024
В качестве материала фотокатализаторов могут выступать различные вещества: и чтобы определить наиболее подходящий вариант, нужно провести систематические исследования процесса синтеза, изучить взаимосвязь между условиями синтеза и параметрами полученных наночастиц для каждого материала, а также выработать алгоритм их получения с наибольшей пользой. При этом на эффективность процесса очистки влияет и сам загрязнитель: фотокатализатор, уничтожающий один загрязнитель, может оказаться бесполезным в борьбе с другим.
«Даже небольшое изменение условий синтеза может существенно изменять свойства материала — ухудшать или, напротив, значительно улучшать их. Например, самые маленькие наночастицы при определенных условиях могут срастаться в более крупные, и мы можем управлять этим процессом, изменяя условия синтеза и получая желаемые свойства», — пояснила Ольга Осмоловская, доцент, руководитель группы синтеза и исследования наночастиц и наноструктурированных материалов СПбГУ.
Химики разработали фотокатализаторы на основе диоксида олова и проверили их эффективность. Вещества смогли вывести из воды смеси антибиотиков — сульфаперидина, сульфадимиина и сульметоксазола. Разработанное соединение позволило достичь разложения антибиотиков на более чем 95% за 35 минут, а за 20 минут получить полное разложение смеси из трех красителей — метиленового синего, мителинового фиолетового и родамина 6G.
Как отметил руководитель научной работы, доцент кафедры физической химии Михаил Вознесенский, главные плюсы разработки — это безотходность процесса и простота исполнения, ведь для такой операции не нужны сложные устройства и большие затраты времени и средств. Разработка дает возможность воспроизвести аналогичные эксперименты для очистки воды от других органических соединений. Кроме того, проект открывает перспективы для разработки композитных материалов, удобных для использования в системах водоочистки. Следующим этапом в работе ученых станет создание прототипа такой системы.
