Problemem wielu rejonów świata jest rosnące zanieczyszczenie wód odpadami przemysłu drzewnego i papierniczego, w tym pochodnymi celulozy i fenolu. W usuwaniu z wody tego typu substancji mogą w przyszłości pomóc tanie i łatwe w produkcji fotokatalizatory opracowane przez grupę dr. inż. Juana Carlosa Colmenaresa z Instytutu Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN) w Warszawie.

Katalizatory to substancje, które uczestnicząc w reakcjach przyspieszają ich przebieg i (niemal) całkowicie odtwarzają się po ich zakończeniu. Typowe reakcje z udziałem katalizatorów wymagają temperatur rzędu kilkuset stopni, a nierzadko także znacznie podwyższonego ciśnienia.

Fotokatalizatory zaprojektowane w IChF PAN i tu syntezowane mają znacznie mniejsze wymagania. Do ich aktywacji dochodzi pod wpływem promieniowania słonecznego lub ultrafioletowego, a właściwa reakcja chemiczna może przebiegać w temperaturze ok. 30 stopni i przy normalnym ciśnieniu. Są to warunki występujące naturalnie w wielu miejscach naszej planety.

Podstawowym elementem nowych fotokatalizatorów jest dwutlenek tytanu z niewielkim dodatkiem atomów żelaza lub chromu. Wszystkie te materiały są powszechnie dostępne i tanie. Fotokatalizatory są osadzane na odpowiednim nośniku – ziarnach krzemionki lub jednej z odmian zeolitów (glinokrzemianów). Proces osadzania odbywa się z użyciem popularnego sprzętu laboratoryjnego: wyparki i myjki ultradźwiękowej.

„Pod wpływem ultradźwięków w roztworze z prekursorami dwutlenku tytanu oraz chromu lub żelaza powstają mikrobąble o wysokim ciśnieniu i temperaturze. W tych warunkach dochodzi do trwałego osadzenia tych materiałów na drobinach nośnika”, wyjaśnia dr Colmenares.

Tak wytworzone materiały katalityczne z domieszkami chromu lub żelaza zostały przebadane i szczegółowo scharakteryzowane w Instytucie Chemii Fizycznej PAN oraz przez grupę prof. Krzysztofa Kurzydłowskiego z Wydziału Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej.

Jak wygląda oczyszczanie wody za pomocą nowych fotokatalizatorów? W warunkach laboratoryjnych proces zajmuje zaledwie 15-20 minut i polega na wsypaniu do wody proszku z fotokatalizatorem. Teraz wystarczy krótka ekspozycja na promieniowanie słoneczne, by zanieczyszczające wodę pochodne celulozy lub fenolu zniknęły.

Fotokatalizatory na nośniku z krzemionki okazały się szczególnie skuteczne w usuwaniu fenolu. Zostaje on w wysokim stopniu utleniony, a produktami reakcji są woda i dwutlenek węgla. W przypadku nośnika zeolitowego dochodziło z kolei do rozkładu glukozy (jest ona monomerem, a więc podstawową „cegiełką” tworzącą łańcuchy polimerowe celulozy). W wyniku rozkładu powstawały kwasy karboksylowe, glukonowy i glukarowy, czyli użyteczne substancje, znajdujące zastosowanie m.in. w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym i kosmetycznym.

Co szczególnie ważne, analizy wykonane przez grupę dr. Colmenaresa jednoznacznie dowodzą, że w trakcie całego procesu oczyszczania ani atomy chromu, ani żelaza nie uwalniają się do wody.