Учёные из Университета Райса изобрели нечто предназначенное для очистки воды, действующее подобно цветку венерина мухоловка.
Сферические частицы микронных размеров, созданные инженером Педро Алварецом, предназначены для захвата и разрушения бисфенола-А (БФА) — синтетического соединения, используемого в производстве пластмасс.
Подпись к изображению: Аспирант Университета Райса Даннинг Жанг, руководивший созданием частицы, которая притягивает и разрушает загрязняющие вещества в воде
Об исследовании подробно сообщает журнал Американского химического общества Environmental Science & Technology.
БФА обычно используется для покрытия изнутри консервных банок и водопроводных труб, и даже бутылочек для кормления младенцев. Попадающий в воду и пищу БФА в небольших дозах считается безвредным, однако длительное его воздействие может влиять на здоровье детей и способствовать повышению кровяного давления.
Хорошая новость в том, что активные формы кислорода (АФК) — гидроксильные радикалы — нейтрализуют БФА. Простой диоксид титана выделяет АФК под воздействием ультрафиолета. Но поскольку окисляющие молекулы быстро нейтрализуются, БФА должен находится рядом с атакующим его диоксидом титана.
Вот тут и кроется ловушка.
«Сфера» на самом деле похожа на цветок с лепестками из диоксида титана. Гибкие лепестки предоставляют обширную площадь для прикрепления к ним молекул циклодекстрина.
Циклодекстрин — это полезная сахароподобная молекула, часто используемая в пищевых продуктах и лекарствах. Она имеет двустороннюю структуру, с гидрофобной полостью и гидрофильной внешней поверхностью. Бисфенол А (БФА) тоже гидрофобен и естественным образом притягивается к полости. Будучи захваченным, он разлагается на безвредные соединения под действием активного кислорода.
В лаборатории исследователи определили, что 200 миллиграмм этих сферических частиц в литре загрязнённой воды разложили 90 процентов БФА в течение часа, что при использовании диоксида титана потребовало бы вдвое больше времени.
Эта работа согласуется с технологиями, разрабатываемыми в принадлежащем Университету Райса Центре нанотехнологий для обработки воды, поскольку сферы получаются самосборкой из нанолистиков диоксида титана.
«В большинство процессов, упоминаемых в литературе, задействованы наночастицы, — говорит аспирант и ведущий автор Даннинг Жанг. — Размер таких частиц менее 100 нанометров. Ввиду столь малого размера их очень трудно извлечь из воды».
В работе Университета Райса частицы значительно крупнее. Частица в 100 нанометров в тысячу раз меньше толщины человеческого волоса, а частицы диоксида титана имеют размер от 3 до 5 микрон, то есть всего в 20 раз меньше толщины волоса. «Это означает, что мы можем применить микрофильтрацию под низким давлением для извлечения этих частиц с целью повторного использования, — объясняет Жанг. — Это экономит значительную энергию».
Поскольку активные формы кислорода (АФК) подавляют также и циклодекстрин, сферы начинают терять свою способность к захвату примерно через 400 часов воздействия ультрафиолета. Но будучи извлечёнными, они легко восстанавливаются.
«Этот новый материал помогает преодолеть два существенных технологических барьера в области фотокаталитической обработки воды, — говорит Алварец. — Во-первых, он повышает эффективность обработки, сводя к минимуму захват АФК ненужными элементами, присутствующими в воде. Здесь АФК используются в основном для разрушения БФА. Во-вторых, он позволяет недорого выделить катализатор обратно для повторного использования, что опять же снижает стоимость. Это — пример того, как передовой материала помогает превратить академические достижения в реальные процессы, способствующие безопасности воды».