Revolúcia v čistení vôd?

Elektróda z austenitickej ocele po depozícii, zdroj Ústav geotechniky SAV

Znečistenie vody, vodných tokov a okolitých pôd je jedným z najväčších ekologických problémov súčasnosti. Vedci neustále hľadajú nové, moderné a nekonvenčné riešenia na odstránenie environmentálneho znečistenia.

Nanomateriály preukazujú pozoruhodné vlastnosti v mnohých oblastiach výskumu vrátane sanácie životného prostredia. Procesom environmentálnej sanácie/remediácie nazývame odstránenie znečistenia alebo kontaminantov z environmentálnych médií, ako je voda alebo pôda. Účinným spôsobom čistenia odpadových vôd je adsorpcia pomocou kompozitov na báze grafénu, ktoré vykazujú silnú afinitu so znečisťujúcimi látkami. Výhodou grafénu je jeho amfifilný charakter (tzn. že časť molekuly je polárna – hydrofilná a časť je nepolárna – hydrofóbna), ktorý umožňuje odstránenie širokého spektra anorganických, ale aj organických nanomolekúl.

SEM snímka povrchu ocele bez depozície (mierka 100 µm), zdroj Ústav geotechniky SAV

Z tohto dôvodu sú napríklad ióny ťažkých kovov (Cd2+, Pd2+, Hg2+, Cr6+, As3+ atď.), syntetické alebo prírodné organické molekuly (farbivá), liečivá (antibiotiká), chemické látky používané v poľnohospodárstve (pesticídy) a rôzne zmesi (olej/benzín) potenciálne odstrániteľné grafénom.

Čo je grafén

Obyčajnú ceruzku si dokážeme predstaviť všetci. Tuhu v ceruzke tvorí mäkký minerál nazývaný grafit. Grafit kryštalizuje vo vrstvách, medzi ktorými sú van der Wallsove väzby a vďaka nim sa dá tuhou v ceruzke písať. Grafén je alotrop uhlíka (alotropia je výskyt niektorých prvkov v dvoch alebo viacerých štrukturálne odlišných modifikáciách), ktorý sa v posledných desiatich rokoch stal predmetom mimoriadneho záujmu pre mnohé vedecké tímy po celom svete. Ide o monoatomárnu vrstvu uhlíkových atómov usporiadaných do hexagonálnej štruktúry – zvykne sa označovať aj ako dvojdimenzionálny kryštál. Svojím spôsobom sa dá grafén považovať za stavebný kameň všetkých grafitických materiálov. Andrej Geim a Konstantin Novoselov získali za objav grafénu v roku 2010 Nobelovu cenu. Na oddelenie jednotlivých vrstiev použili obyčajnú lepiacu pásku a grafit.

SEM snímka grafénovej depozície na povrchu ocele, zdroj Ústav geotechniky SAV

Vytvorenie a testovanie elektródy

Hlavným cieľom nášho výskumu je vytvorenie novej elektródy na báze grafénového oxidu. Na prípravu sa využíva elektroforetická depozícia (EPD). EPD sa obyčajne vykonáva v dvojelektródovej cele pri zapojení priameho elektrického prúdu. EPD pozostáva z dvoch krokov, a to z elektroforézy a depozície. Elektroforéza nastáva, keď sa na suspenziu aplikuje elektrické pole, a tak sa grafénové častice pohybujú smerom k opačne nabitej elektróde a súbežne na povrchu elektródy dochádza k vytvoreniu depozície, teda povlaku. Povlak na elektróde pozorujeme využitím skenovacej elektrónovej mikroskopie (SEM). Na obrázku je zobrazená SEM snímka povrchu elektródy. Deponovaná vrstva mala typické vrstevnaté usporiadanie, ktoré pozostávalo z tenkých, navzájom pevne spojených zvlnených štruktúr. Na testovanie elektródy sme použili modelový roztok reaktívneho azofarbiva Reactive Black 5 (RB5). Toto farbivo je jedným z najbežnejších syntetických farbív v textilnom priemysle, ktoré je vysoko rozpustné vo vode. Reaktívne farbivá obsahujú špecifické funkčné skupiny, ktoré tvoria kovalentné väzby medzi farbivom a vláknom. Najčastejšie sa používajú na farbenie bavlny, vlny a nylonu.

Výsledok

Výsledok elektrolýzy reaktívneho azofarbiva pomocou grafénovej elektródy v čase 0, 1, 2, 4, 6, 8 a 10 minút

Zistili sme, že východisková látka reaktívneho farbiva sa transformovala na vysoko polárne a menšie molekuly. Už po jednej minúte elektrolytického spracovania bola koncentrácia RB5 pod detekčným limitom. Odfarbenie bolo spôsobené zmenami v chemickej štruktúre farbiva, t. j. oxidáciou alebo redukciou funkčných skupín, prípadne zrušením konjugácie dvojitých väzieb v štruktúre, väčšinou štiepením azo väzby (–N=N–). Po dlhšej elektrolýze v roztoku zostávajú len anorganické ióny (dusičnany, sírany, chloridy) a malé netoxické organické molekuly. Nová elektróda je účinná a má veľký potenciál. V porovnaní s komerčne dostupnými elektródami dosahuje požadovanú elektrickú vodivosť, je nutné však vylepšiť stabilitu a zvýšiť počet opakovacích cyklov. Najnovší výskum ukazuje, že odstraňovanie chemicky nebezpečných materiálov pomocou grafénu je novým potenciálnym spôsobom pri čistení odpadových vôd. Tento jedinečný materiál ponúka nekonvenčné fyzikálno-chemické vlastnosti, ktoré môžeme aplikovať pri environmentálnej remediácii.

Ing. Dominika Marcin Behunová, PhD.
Ústav geotechniky SAV
Článok vznikol v spolupráci s platformou Mladí vedci SAV.

Tento článok si môžete prečítať v časopise Quark 2/2021. Ak ešte nie ste našou predplatiteľkou/naším predplatiteľom a chcete mať prístup k exkluzívnemu obsahu, objednajte si predplatné podľa vášho výberu tu.
Komentáre