Ученые Томского научного центра СО РАН с помощью метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) получили новый железосодержащий керамический фотокатализатор для очистки сточных вод от метиленового синего. Как сообщила пресс-служба Минобрнауки РФ порталу Наука Mail, эффективность разложения красителя достигает 100% за 30 минут при видимом свете и за 60 минут — под ультрафиолетом. Результаты опубликованы в 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.
Катализатор получают из порошков ферросилиция и шунгита: их высушивают, смешивают в определенном соотношении, засыпают в цилиндрическую газопроницаемую трубку и подвергают азотированию при высоком давлении. Затем образец поджигают с помощью горючей смеси и молибденовой спирали с электрическим током. Волна горения (до 2000°C) распространяется по образцу за несколько минут. После остывания пористый спек измельчают — получается фотокатализатор.
Очистка воды от синего красителя проходила в лабораторной установке: в загрязненную воду (1 г катализатора на 1 л) добавляли щавелевую кислоту (4 мл) и перекись водорода (4 мл). В сосуд погружали стакан с лампой (УФ‑ или видимого света), а суспензию перемешивали магнитной мешалкой для поддержания катализатора во взвешенном состоянии.
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.
Новый фотокатализатор разлагает метиленовый синий полностью: за 30 минут — под видимым светом, за час — под УФ‑излучением. Его эффективность сохраняется после нескольких циклов: железо перераспределяется по поверхности матрицы и образует новые активные центры — так катализатор самовосстанавливается в процессе работы. Сейчас ученые масштабируют метод и разрабатывают установку для проточной очистки сточных вод с его использованием.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, куда движется химия: от «капризных» пероксидов к чистым технологиям.
