В ТНЦ СО РАН создан фотокатализатор, способный за полчаса при видимом свете очистить сточные воды от метиленового синего

Ученые Томского научного центра СО РАН, используя метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), получили новый железосодержащий керамический фотокатализатор, предназначенный для очистки сточных вод от метиленового синего. Эффективность разложения этого опасного органического красителя достигает 100 процентов и занимает всего 30 минут при использовании источника видимого света и 60 минут – при воздействии ультрафиолетового излучения. Полученные результаты опубликованы в высокорейтинговом журнале Surfaces and Interfaces.

– 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. 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, – отметила кандидат технических наук Ольга Крюкова, старший научный сотрудник лаборатории функциональных керамических материалов ТНЦ СО РАН.

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.

Очистка воды от синего красителя проводилась в лабораторной экспериментальной установке. В загрязненную воду добавлялись катализатор чуть более одного грамма на один литр, а также разбавленные щавелевая кислота (4 мл) и перекись водорода (4 мл). В заполненный жидкостью стеклянный сосуд погружался специальный стакан, внутри которого находилась лампа ультрафиолетового или более мягкого видимого света. Для поддержания катализатора во взвешенном состоянии суспензия перемешивалась с использованием магнитной мешалки.

– 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, – поясняет Татьяна Татаринова, младший научный сотрудник лаборатории функциональных керамических материалов ТНЦ СО РАН.

Новый фотокатализатор полностью разлагает метиленовый синий за 30 минут при видимом свете и за час при УФ-излучении. Более того, 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.

© Пресс-служба ТНЦ СО РАН