Urządzenia wielkości smartfona oczyszczające przy udziale światła słonecznego wodę dla jednej osoby czy biurkowe moduły produkujące z chemicznych odpadów substancje dla farmacji – takie przyrządy mogą powstać dzięki technologii opracowanej w IChF PAN.

Zazwyczaj ultradźwięki kojarzą się z obrazowaniem narządów wewnętrznych, echolokacją czy obróbką powierzchniową materiałów; za ich pomocą usuwa się też powłoki zanieczyszczeń. Tymczasem w Instytucie Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN) w Warszawie zamiast do niszczenia warstw, ultradźwięki wykorzystano w dokładnie przeciwnym celu: do precyzyjnie kontrolowanego nanoszenia powłok ditlenku tytanu (TiO2), związku znanego z właściwości fotokatalitycznych i samoczyszczących.

O wynikach badań sfinansowanych z grantu SONATA BIS Narodowego Centrum Nauki IChF PAN poinformował w przesłanej PAP informacji prasowej.

W artykule, który ukazał się w czasopiśmie „Ultrasonics – Sonochemistry” (DOI: 10.1016/j.ultsonch.2017.09.053), naukowcy z IChF PAN jako pierwsi opisali technikę osadzania nanocząstek TiO2 na wewnętrznych ściankach rurek o średnicach mikrometrowych – a więc zbliżonych do rozmiarów włosa.

Tak przygotowane polimerowe przewody stają się mikroprzepływowymi fotoreaktorami. Oznacza to, że po wystawieniu ich na działanie światła słonecznego, urządzenia te stają się ciągłym źródłem czystej wody. Jak podkreśla IChF PAN, mogą również służyć do pozyskiwania cennych półproduktów dla przemysłów farmaceutycznego czy perfumeryjnego.

Kluczowym elementem technologii jest ditlenek tytanu osadzony na wewnętrznej ściance mikrorurek. „Odpowiednio używając ultradźwięków, potrafimy wytwarzać w rurkach jednorodne warstwy fotokatalizatora o precyzyjnie kontrolowanej grubości, zoptymalizowane pod kątem konkretnych procesów chemicznych” – opowiada cytowany w komunikacie prasowym prof. IChF PAN Juan Carlos Colmenares. – „Dzięki rurkom pokrytym od wewnątrz fotokatalizatorem jesteśmy w stanie prowadzić reakcje non stop, przy ciągłym przepływie cieczy przez układ. To nowatorskie podejście. W dotychczasowych fotoreaktorach ciecz trzeba było oczyszczać porcjami, na dodatek zwykle zawierającymi hektolitry płynu” – podkreśla.

Jak dowiadujemy się z komunikatu IChF PAN, mikrofotoreaktor to w praktyce rurka polimerowa długości ok. pół metra i zewnętrznej średnicy zbliżonej do milimetra, pokryta od wewnątrz warstewką ditlenku tytanu i nawinięta na szklaną bagietkę. Poddawana przetwarzaniu ciecz jest wtłaczana do wnętrza rurki za pomocą niewielkiej zewnętrznej pompy dozującej i wchodzi w reakcje z fotokatalizatorem uaktywnionym światłem. Dobierając grubość warstwy nanocząstek TiO2, a także modyfikując długość rurek czy szybkość przepływu, można wpływać na skład chemiczny cieczy wypływającej z mikroreaktora.

Choć możliwości pojedynczego mikrofotoreaktora nie są duże – dziennie są one w stanie wytwarzać zaawansowane produkty chemiczne w ilościach rzędu miligramów – to klucz do ich skuteczności kryje się w niewielkich rozmiarach tych urządzeń. Jak zapewniają badacze z IChF PAN, w objętości zajmowanej przez nieco większy smartfon można umieścić kilkanaście pojedynczych fotoreaktorów. Wspólnie mogłyby one np. oczyścić nawet kilka litrów wody dziennie.

„W naszej najnowszej publikacji pokazaliśmy, że w mikrofotoreaktorach można w warunkach przepływowych skutecznie oczyszczać wodę z zanieczyszczeń fenolami” – mówi cytowany w komunikacie prasowym dr Vaishakh Nair, przebywający w IChF PAN na stażu podoktorskim. – „Ale w laboratorium mamy już zrealizowane eksperymenty, w trakcie których używaliśmy roztworów zawierających modelowe związki składników ligniny, substancji bardzo bogatej chemicznie, lecz będącej jednym z bardziej uciążliwych odpadów przemysłu papierniczego. Tu rezultatem pracy mikrofotoreaktorów były związki chemiczne o dużej wartości dodanej: półprodukty, z których można syntetyzować cenne leki czy substancje zapachowe” – opowiada badacz.

Przeprowadzone w IChF PAN testy wykazały, że wewnętrzne pokrycia ditlenkiem tytanu są trwałe. Choć mogą ulegać zabrudzeniu, nie powinno być to problemem z uwagi na właściwości TiO2: aby oczyścić rurkę, wystarczy wystawić ją na pewien czas na działanie światła.

Jak podkreślają naukowcy z IChF PAN, nowe fotoreaktory są świetnymi kandydatami na układy regenerujące do systemów z obiegiem zamkniętym, takich jak statki kosmiczne. Urządzenia mają bowiem niewielkie rozmiary, są zdolne do ciągłej pracy w warunkach przepływu – a instalację łatwo rozbudowywać. Dodatkowym argumentem na rzecz ich wykorzystania w technologiach kosmicznych jest fakt, że poza atmosferą światło słoneczne jest znacznie bardziej intensywne. Oznacza to, że reakcje fotokatalityczne w kosmosie będą mogły przebiegać wydajniej niż na Ziemi.

Grupa badawcza dr. Colmenaresa zamieściła szersze omówienie zagadnień i perspektyw związanych z mikrofotoreaktorami przepływowymi w obszernym przeglądzie opublikowanym w prestiżowym czasopiśmie naukowym „Chemical Society Reviews” brytyjskiego Królewskiego Towarzystwa Chemicznego (DOI: 10.1039/c7cs00257b).

Źródło: www.naukawpolsce.pap.pl