Создан материал, очищающий сточные воды от красителей
Снимок электронного микроскопа полимерных волокон с расположенными в них наночастицами BFO
© Фарид Оруджев
Ученые синтезировали мембрану, которая разрушает красители, попадающие в сточные воды. Материал состоит из органических волокон и встроенных в них неорганических наночастиц. Под действием света и ультразвуковой вибрации гибридное соединение разлагает красители в шесть раз быстрее, нежели чистые наночастицы. Полученные данные потенциально помогут очистить сточные воды, загрязненные пигментами. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Polymers.
Промышленные красители — это одни из самых массовых загрязнителей воды. Так, около 12% синтетических текстильных пигментов теряются в процессе производства и переработки, а 20% из них через сточные воды попадают в окружающую среду. Эти вещества обладают высокой токсичностью и потенциально могут вызывать мутации в клетках живых организмов. Поэтому ученые пытаются разработать методы очистки сточных вод от красителей, прежде чем они попадут в окружающую среду. Однако существующие химические методы очистки требуют большого количества энергии и химикатов, а также специального оборудования.
Российские ученые совместно с иностранными коллегами разработали гибридную би-пьезофотоактивную мембрану, в которой неорганические наночастицы распределялись между органическими полимерными волокнами. За основу авторы взяли частицы из феррита висмута — BiFeO3 (BFO) — соединения, который отлично зарекомендовал себя в каталитическом разложении стойких органических веществ из сточных вод. Каталитическая активность BFO возрастает под действием света и механической вибрации, что позволяет исследователям управлять их свойствами. Однако BFO — наночастицы, которые технически сложно использовать повторно ввиду проблемы их отделения от очищенной воды. Поэтому в данной работе ученые в качестве матрицы для BFO использовали полимер поливинилиденфторид (PVDF) — нетоксичный, биосовместимый и эластичный материал. Кроме того, сам PVDF также является хорошо известным пьезоактивным полимером.
Для синтеза ученые смешивали наночастицы BFO с раствором полимера и в течение 30 минут в электрическом поле распыляли и вытягивали полимерный раствор в нити, формируя нетканые маты. Таким образом, они прочно закрепили наночастицы BFO в полимерных нитях, что позволит избежать потерь BFO при их использовании в катализе.
С помощью электронной микроскопии авторы исследовали строение мембраны. Полученные маты имели толщину около 30 микрометров (в тысячу раз меньше миллиметра), поверхность волокон была довольно однородной и гладкой, и наночастицы BFO равномерно в них встраивались. Кроме того, ученые показали, что чистый PVDF поглощал только ультрафиолет, при этом комбинированная мембрана поглощала также сине-голубые лучи.
Затем исследователи проверили, как менялась активность мембраны в процессе разложения красителя под действием ультразвука, ультрафиолетового или видимого света. Так как наночастицы располагались внутри полимерных нитей, облучение светом их не активировало. Однако совместное действие света и ультразвука привело к резкому усилению каталитической активности. В результате скорость разложения красителя увеличилась примерно в три раза при УФ-облучении и примерно в шесть раз после воздействия видимого света.
«Результаты исследований подтверждают перспективы пьезофотокатализа и являются обнадеживающими, а наличие уникальных магнитных свойств могут потенциально привести к новым прорывам в области магнитоуправляемого пьезофотокатализа. В этом направлении мы планируем продолжать наши исследования», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Фарид Оруджев, кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник ДГУ.
Материал подготовлен при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».