В условиях нарастающего экологического кризиса ученые по всему миру разрабатывают новые технологии для борьбы с загрязнением окружающей среды. Особое внимание уделяется инновационным методам очистки воды, ведь ее загрязнение токсичными соединениями, пластиком и промышленными отходами представляет серьезную угрозу для здоровья человека и экосистем.
Недавние исследования предлагают передовые решения, которые используют современные наноматериалы, микророботов и даже энергию солнечного света.
Давайте взглянем на них вместе.
1. Команда исследователей из Брненского технического университета в Чехии разработала инновационных биогибридных микророботов, предназначенных для очистки воды от частиц микро- и нанопластика. Данное исследование было опубликовано в авторитетном научном издании Advanced Functional Materials (AFM).
Эти устройства, получившие название MAR (magnetic algae robots — магнитные роботы-водоросли), представляют собой уникальное сочетание водорослей и экологически безопасных магнитных материалов.
«Функционирование этих микророботов основано на воздействии внешнего магнитного поля, что позволяет точно управлять их передвижением. Наличие -COOH-групп на поверхности клеток водорослей обуславливает отрицательный заряд MAR, тогда как частицы микро- и нанопластика обладают положительным поверхностным зарядом.
В результате возникает электростатическое притяжение, которое способствует эффективному захвату и удалению загрязняющих веществ с помощью MAR», — пояснила один из авторов исследования, сотрудница лаборатории энергетики и инноваций будущего Ся Пэн.
Для проверки эффективности технологии ученые провели серию испытаний, в ходе которых подтвердили, что микророботы могут управляться дистанционно с высокой точностью и успешно удалять мельчайшие пластиковые частицы из воды.
«Результаты экспериментов продемонстрировали впечатляющую эффективность работы MAR: удалось удалить 92% нанопластика и 70% микропластика», — отметила Ся Пэн.
2. Ученые из Университета Райса предложили инновационное решение одной из наиболее острых экологических проблем — удаления и разрушения пер- и полифторалкильных соединений (PFAS), известных как «вечные химикаты».
PFAS представляют собой группу синтетических веществ, которые широко применяются в потребительских товарах благодаря своей термостойкости, а также водо- и маслостойким свойствам. Однако именно их химическая стабильность делает их практически неразлагаемыми в природе, что приводит к загрязнению водных источников и серьезным угрозам для здоровья человека, включая онкологические заболевания и нарушения работы иммунной системы.
Существующие методы удаления PFAS зачастую требуют значительных затрат, потребляют большое количество энергии и нередко сопровождаются образованием вторичных загрязнителей. Это подчеркивает необходимость в разработке более эффективных и экологически безопасных технологий.
Для решения этой задачи команда исследователей использовала метод мгновенного джоулева нагрева (flash Joule heating, FJH). Специалисты применили высоковольтный разряд к смеси гранулированного активированного угля (granulated activated carbon, GAC), насыщенного PFAS, и минерализующих добавок, таких как натриевые и кальциевые соли. В результате за доли секунды температура среды превысила 3000°C, что привело к разрушению прочных углерод-фторных связей, характерных для PFAS.
Под действием экстремального нагрева токсичные соединения превращаются в безопасные неорганические фторидные соли, не представляющие угрозы для окружающей среды. При этом сам GAC подвергается переработке в графен — ценный материал, востребованный в электронике, строительстве и других отраслях промышленности.
Эксперименты подтвердили высокую эффективность метода: удалось достигнуть более чем 96% обесфторивания, а удаление перфтороктановой кислоты (perfluorooctanoic acid, PFOA), одного из наиболее распространенных загрязнителей, составило 99,98%. Аналитические испытания также показали отсутствие значимых выбросов летучих органических фторидов — типичных побочных продуктов других методов обработки PFAS.
Дополнительным преимуществом данной технологии является отсутствие вторичных отходов, неизбежных при традиционных способах утилизации, таких как сжигание или захоронение углеродсодержащих материалов.
3. Ученые разработали инновационный материал, который способен очищать воду от опасных загрязняющих веществ, используя энергию солнечного света. Исследовательская группа из Университета Огайо создала тонкие волокнистые полоски на основе диоксида титана (TiO₂) — вещества, широко применяемого в солнечных батареях, газовых датчиках и самоочищающихся покрытиях.
Для создания материала ученые использовали комбинацию мягких химических гелей и электроспиннинга — технологии, в которой жидкость подвергается воздействию электрического поля для формирования ультратонких волокон.
Хотя наночастицы TiO₂ давно используются в солнечных топливных системах как альтернативный источник энергии, их эффективность ограничена. Они способны поглощать только ультрафиолетовое излучение, что существенно снижает их каталитическую активность и усложняет внедрение, требуя дополнительных систем фильтрации и оптимизации процессов.
Чтобы преодолеть эти ограничения, исследователи добавили в структуру материала медь, что значительно повысило его способность поглощать солнечную энергию и расщеплять вредные соединения в воде и воздухе. По словам ведущего автора исследования, эта модификация привела к созданию уникальных наноматов, которые эффективно разрушают загрязняющие вещества, превращая их в безопасные компоненты.
При попадании света на диоксид титана в материале генерируются электроны, которые вступают в реакцию с молекулами воды, образуя активные окислители. Эти частицы постепенно разрушают вредные вещества, нейтрализуя их. Добавление меди ускоряет этот процесс, делая его еще более эффективным.
Ученые предполагают, что технология найдет применение в очистке воды от промышленных загрязнителей, особенно в развивающихся странах, где доступ к чистым источникам питьевой воды ограничен.
Еще одним важным преимуществом является экологическая безопасность материала. В отличие от некоторых солнечных батарей и очистительных систем, которые могут образовывать токсичные побочные продукты, наноматы абсолютно безвредны. «Это максимально чистая технология, не наносящая никакого вреда окружающей среде», — подчеркнул соавтор исследования Гума.
Несмотря на высокую эффективность разработки, время, необходимое для ее коммерческого внедрения, во многом зависит от заинтересованности промышленности. «У нас есть все инструменты, позволяющие производить этот материал в больших объемах и адаптировать его для различных отраслей», — отметил Гума. «Единственное, что нам нужно, — это компании, готовые воспользоваться этим инновационным решением».
Новости марта подошли к концу, но не расстаивайтесь - вы всегда можете ознакомиться с интересными открытиями недалекого прошлого или, если вас интересует что-то более практичное, почитать о разных проектах, которые реализовывает наша компания :)