6 Minutės
Tyrėjai iš Nagojos technologijų instituto (Nagoya Institute of Technology) pavertė kasdienes plastiko atliekas daugiafunkciniu, saulės energija varomu medžiagos kompozitu, galinčiu tiek valyti, tiek išgauti druskingą vandenį. Naujas kompozitas – pagamintas naudojant patobulintą mechanocheminį malimą – sujungia šviesos sugėrimą, šilumos generavimą ir teršalų adsorbciją viename mažos sąnaudos dalelyje, kuris gali padėti masiškai diegti prieinamą vandens valymą ir saulės desalinaciją.
Kaip plastikas ir kamuolinis malūnas tapo vandens valymo katalizatoriumi
Asocijuoto profesoriaus Takashi Shirai vadovaujama komanda naudojo planetinį kamuolinį malūną (planetary ball mill), kad mechaniniu būdu transformuotų paprastą molibdeno trioksido (MoO3) ir polipropileno – plačiai naudojamo pakuotėse – mišinį į sluoksniuotą kompozitą. Kruopščiai suderinti malimo parametrai paskatino cheminių ir fizinių pokyčių seriją, kurios metu susiformavo vandenilio molibdeno bronza (HxMoO3–y), molibdeno dioksidas (MoO2) ir aktyvuota anglis, gaunama iš polipropileno žaliavos. Ši mechanocheminė transformacija apjungė oksidų fazių kūrimą su anglies struktūrų formavimu, sudarant hibridinį fototermalinių ir adsorbentinių savybių derinį.
Mechanocheminė sintezė – procesas, kuriame mechaninė jėga inicijuoja chemines reakcijas – čia turi kelis esminius privalumus: ji pašalina aukštos temperatūros ir energiją reikalaujančius etapus, sumažina bendrą energetinį pėdsaką ir suteikia galimybę perdirbti plastiko atliekas į funkcinę anglies dalį. Pagal autorių teiginius, šis metodas yra energetiškai efektyvesnis ir ekonomiškesnis nei dauguma įprastinių pažangių fotokatalizatorių sintezės kelių, ypač kai siekiama didesnio masto gamybos.
Šios naujos vandenilio molibdeno bronzos–molibdeno dioksido/anglies kompozitinės dalelės pasižymi išskirtiniu fototerminiu sąsajų garinimo greičiu, plataus spektro fotokataliziniu aktyvumu vandens teršalams šalinti ir pakankama sunkiųjų metalų jonų adsorbcijos talpa net ir tamsoje. Šios savybės leidžia manyti, kad medžiaga gali tapti pagrindu didelio masto, prieinamoms vandens valymo technologijoms.
Vienas medžiagos tipas – keli valymo režimai
Kompozitų ypatingumas slypi jų daugiafunkciškume. Laboratoriniuose bandymuose dalelės parodė plataus spektro šviesos sugertį nuo ultravioletinės iki matomos ir arti infraraudonosios srities (UV–VIS–NIR), kas leido vienu metu veikti dviem saulės energija varomiems procesams:
- Fotokatalizinis suyrimas: veikiant šviesai, molibdeno oksidų fazės veikia kaip fotokatalizatoriai, skaidantys organinius teršalus į mažiau pavojingas molekules ir sumažinantų vandens cheminę užterštį.
- Fototerminis garinimas: plazmoninei elgsenai artimos savybės ir stiprus šviesos į šilumą konvertavimas greitai įkaitina vandenį prie dalelės sąsajos, skatindami spartų garinimą ir leidžiant vykdyti saulės desalinaciją bei vandens atskyrimą.
Be šviesos varomų mechanizmų, kompozito struktūroje išlikusi deguonį turinti aktyvuota anglis suteikia daug adsorbcijos vietų sunkiųjų metalų jonams fiksuoti, todėl medžiaga gali šalinti teršalus net tamsoje ar priekritinėmis sąlygomis. Be to, kompozitai parodė Brønsted rūgštinių katalizinio aktyvumą, kas toliau išplečia jų cheminį universalumą – tokiu būdu galima efektyviau skaidyti tam tikrus sunkiau degraduojančius organinius junginius.
Kodėl tai svarbu: mastelį didinantys, ekonomiški ir uždaro ciklo sprendimai
Daugelis perspektyvių fotokatalizatorių yra brangūs arba sudėtingi gamybai dideliu mastu. Priešingai, Nagojos komandos požiūris prasideda nuo nebrangaus MoO3 ir plačiai prieinamo polipropileno atliekų, naudojant masto didinimui tinkamą malimo procesą. Gautas produktas – prieinama, daugiafunkcė dalelė, kuri gali būti pritaikyta decentralizuotam vandens apdorojimui, avarinei desalinacijai arba kaip komponentas hibridinėse saulės valymo sistemose.
Įsivaizduokite pigų panelį ar plūduriuojančią kilimėlę, padengtą šiomis kompozitinėmis dalelėmis: saulės šviesoje jis garintų ir kondensuotų šiltą, gėlinamą vandenį, tuo pačiu metu skaidydamas organines priemaišas ir sulaikydamas sunkiuosius metalus. Toks funkcijų derinys sumažintų atskirų apdorojimo etapų poreikį, tuo pačiu mažinant infrastruktūros, energijos sąnaudas ir priežiūros išlaidas. Tokios saulės desalinacijos ir fotokatalizės integracijos koncepcijos ypač patrauklios regionams su ribotais ištekliais ir dideliu vandens stresu, kur reikalingi ekonomiški ir paprasti sprendimai.
Ką technologija suteikia mokslui ir pramonės diegimui
Tyrimų grupė pateikė kelis svarbius gairių ir technologinius privalumus, kurie padidina šio metodo pritaikomumą pramonėje: medžiagos sintezė nėra priklausoma nuo sudėtingų reakcijų terpės ar brangių retųjų metalų; naudojamos žaliavos (MoO3 ir polipropileno atliekos) yra plačiai prieinamos; mechanocheminis procesas pasižymi galimybe būti vykdomam partijomis arba nuolatinėse linijose, leidžiančiose sklandžiai didinti gamybos mastą. Be to, perdirbtos anglies integracija suteikia papildomą vertę plastiko perdirbimui, remiantis ekonominio ir aplinkos tvarumo principais.
Pramoninis diegimas taip pat reikalautų papildomų testų: ilgaamžiškumo serijos bandymų, cheminių stabilumo tyrimų skirtingose aplinkos sąlygose, regeneracijos metodų adsorbentinei angliai ir fotokatalizatoriui atstatyti, bei saugumo ir aplinkos rizikos vertinimų. Laboratoriniai rezultatai rodo perspektyvą, tačiau komercinis pritaikymas reikalauja optimizavimo gamybos sąnaudoms, veikimo našumui tunizuoti ir ryšio su vandens valymo įrenginiais užtikrinimo.
Kitas žingsnis ir platesnės taikymo galimybės
Tyrėjai planuoja toliau tobulinti malimo receptūras, taikydami mechanocheminį metodą kitiems oksidams ir skirtingų plastikų rūšims, taip išplečiant perdirbtų, saulės aktyvių kompozitų biblioteką. Tokiu būdu galima sukurti įvairesnius all-in-one katalizatorius, kurie praturtintų esamų medžiagų charakteristikas, leistų įgyvendinti naujas valymo koncepcijas ir prisidėtų prie žiedinės ekonomikos sprendimų – užrakindami atliekų plastiką į naudingas technologijas.
Publikacija žurnale ACS Applied Materials & Interfaces pateikia aiškų maršrutą, kaip sujungti plastiko perdirbimą su saulės energija varomu vandens valymu. Tai yra sinergija tarp aplinkos remediacijos ir medžiagų mokslo inovacijų, galinti turėti ypatingą reikšmę vandens trūkumo turinčiose teritorijose, kur reikalingos prieinamos, energiją taupančios valymo technologijos.
Technologijos, kurioms verta skirti dėmesį
Svarbios terminai ir technologinės kryptys, kurių verta sekti susijusiuose tyrimuose: mechanocheminė sintezė, vandenilio molibdeno bronza, fototerminis garinimas, fotokatalizatoriai, saulės desalinacija, aktyvuotos anglies adsorbcija ir plastiko žiedinis perdirbimas. Kartu šios technologijos nurodo praktinius ir pigesnius vandens valymo sprendimus, kurie pasinaudoja saulės energija ir atliekų medžiagomis, o ne vien retomis ar brangiomis sudedamosiomis dalimis.
Be pagrindinių bandymų, tyrimo autoriai pateikė techninius aprašymus apie medžiagų struktūrinį charakterizavimą: rentgeno difrakciją (XRD) fazinei sudėčiai nustatyti, skenavimo ir transmisinės elektroninės mikroskopijos (SEM / TEM) vaizdavimui, Raman spektroskopiją ir FTIR cheminiams ryšiams analizuoti bei termogravimetrinius tyrimus ir paviršiaus cheminės sudėties analizę naudojant XPS. Šie analizės metodai patvirtina kompozitų sudėtį, sluoksniuotą morfologiją ir anglies integraciją – duomenys, reikalingi optimizuojant fotokatalizinius ir adsorbcinius parametrus realioms vandens valymo sąlygoms.
Galiausiai, potencialios diegimo konfigūracijos apima tiek fiksuotas saulės-valymo plokštes, tiek plūduriuojančias sistemas tvenkiniuose ar dirbtiniuose baseinuose, modulinius įrenginius humanitarinėms situacijoms bei mobilius sprendimus prieigai prie švaraus vandens atokiose vietovėse. Vienas iš didžiausių privalumų – galimybė derinti fotokatalizę ir fototerminius mechanizmus su tradiciniais filtravimo bei membraniniais metodais, sudarant hibridines sistemas, kurios pagerina efektyvumą ir sumažina gruntinių išteklių apkrovą.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą