Химики СПбГУ создали новый фотокатализатор для очистки воды от органических соединений

В последние годы содержание органических веществ в сточных водах увеличилось — это связано со стремительным развитием химической индустрии во всем мире. Сегодня ученые активно работают над созданием и внедрением целого ряда технологий экологичного производства, чтобы снизить вредное воздействие на окружающую среду.

Среди множества различных органических загрязнителей выделяются два крупных класса — красители и антибиотики, поскольку в больших концентрациях они наиболее токсичны. Красители активно используются в текстильной отрасли, при производстве бытовой химии, пластмассовых изделий, красок и лаков. Антибиотики же широко применяются для лечения разных болезней у людей и профилактики инфекций в сельском хозяйстве, а иногда — при производстве удобрений.

Эти органические вещества могут попадать в отходные воды как в процессе производства, так и при их использовании. Например, нестойкие красители вымываются из тканей при стирке, а антибиотики частично выводятся из организма с биологическими выделениями и попадают в сточные воды, что в длительной перспективе влияет на естественные биологические процессы. Так, сегодня в большинстве крупных рек мира отмечается небольшое превышение концентраций этих веществ, которое на данный момент не оказывает заметного негативного воздействия на окружающую среду.

Химики Санкт-Петербургского университета регулярно проводят исследования и создают технологии, позволяющие решать эту проблему. Так, они уже создали сорбент, помогающий очищать загрязненные воды от антибиотиков, разработали метод очистки с помощью наночастиц и создали нанолисты цинка для систем водоочистки.

В рамках нового проекта, поддержанного грантом Российского научного фонда, ученые СПбГУ предложили удалить молекулы органических загрязнителей — красителей и антибиотиков — с помощью фотокатализа. Как пояснил один из исследователей, студент СПбГУ Евгений Скрипкин, под действием источника света фотокаталитический материал, находясь в воде, генерирует особые молекулы — активные радикалы или, как их иначе называют, активные формы кислорода, которые разрушают загрязнители.

Санкт‑Петербургский университет является лидером по количеству грантов Российского научного фонда. В 2022 году ученые СПбГУ получили 112 грантов, это 5,5% от общего числа победивших проектов и наибольшее число грантов для одной организации. При этом 25% поддержанных проектов выполняются под руководством молодых исследователей. В 2023 году Университет сохранил лидерство в данном конкурсе РНФ: ученые СПбГУ получили 70 грантов, это 5% от общего числа победивших проектов. От Санкт‑Петербургского университета на конкурс 2023 года было подано 214 заявок, и практически каждая третья из них получила поддержку.

В качестве материала фотокатализаторов могут выступать разные вещества. Для определения наиболее эффективного варианта необходимо систематическое исследование процесса синтеза, изучение взаимосвязи между условиями синтеза и параметрами полученных наночастиц для каждого материала, а также выработка алгоритма их получения с наибольшей пользой. При этом на эффективность процесса очистки влияет и сам загрязнитель: фотокатализатор, уничтожающий один загрязнитель, может оказаться бесполезным в борьбе с другими.

«Даже небольшое изменение условий синтеза может существенно изменять свойства материала — ухудшать или, напротив, значительно улучшать их. Например, самые маленькие наночастицы при определенных условиях могут срастаться в более крупные, и получаем возможность управлять этим процессом, изменяя условия синтеза и получая желаемые свойства», — пояснила руководитель группы синтеза и исследования наночастиц и наноструктурированных материалов СПбГУ, доцент Университета Ольга Осмоловская.

Химики Санкт-Петербургского университета разработали фотокатализаторы на основе диоксида олова и проверили их эффективность. Вещества смогли вывести из воды смеси антибиотиков — сульфаперидина, сульфадимиина и сульметоксазола.

Разработанное учеными СПбГУ соединение позволило достичь разложения антибиотиков на более чем 95% за 35 минут, а за 20 минут получить полное разложение смеси из трех красителей — метиленового синего, метиленового фиолетового и родамина 6G.

Как отметил руководитель работы, доцент СПбГУ Михаил Вознесенский (кафедра физической химии), главные плюсы — это безотходность процесса и простота исполнения, ведь для такой операции не нужны сложные устройства и большие затраты времени и средств. Разработка ученых дает возможность воспроизвести аналогичные эксперименты для очистки воды от других органических соединений. Проект открывает перспективы для разработки композитных материалов, удобных для использования в системах водоочистки. Следующим этапом в работе ученых Университета станет создание прототипа такой системы.

Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в научных журналах первого квартиля: ACS Applied Nano Materials и Chemospher.

Фото: Михаил Вознесенский, пресс-служба СПбГУ