Zespół prof. Anny Zielińskiej-Jurek z Katedry Inżynierii Procesowej i Technologii Chemicznej Wydziału Chemicznego Politechniki Gdańskiej opracowuje nowe materiały fotokatalityczne.  Ich zastosowanie pozwoli usuwać pozostałości farmaceutyków ze strumieni oczyszczanych ścieków, a także eliminować zanieczyszczenia powietrza.

Naukowcy związani z uczelnią zajmują się problemami środowiskowymi i działaniami w kierunku ekoinnowacyjności, m.in. opracowując nowe materiały fotokatalityczne. Do zespołu należy także mgr inż. Marta Kowalkińska, absolwentka uczelni, a obecnie doktorantka w Szkole Doktorskiej. Młoda chemiczka zajmuje się przede wszystkim syntezą, charakterystyką i zastosowaniem nowych materiałów fotokatalitycznych do degradacji uporczywych zanieczyszczeń. Opracowała fotokatalizator, który poprzez swoją morfologię eliminuje zanieczyszczenia organiczne w wodzie. Udało jej się z dużą skutecznością zdegradować naproksen – jeden z popularniejszych środków przeciwbólowych i przeciwzapalnych, będący m.in. składnikiem maści.

Różnorodne zastosowanie

Wykorzystywana przez badaczki fotokataliza to zmiana szybkości reakcji chemicznej lub jej inicjacji w wyniku działania promieniowania UV, promieniowania widzialnego lub podczerwieni, w obecności substancji (fotokatalizatora), która absorbuje światło i jest zaangażowana w przemiany chemiczne reagentów. Fotokatalizatorami mogą być między innymi półprzewodniki szerokopasmowe, takie jak tlenek tytanu, siarczek cynku, siarczek kadmu.

– Zarówno na wcześniejszym etapie, jak i teraz, podczas realizacji pracy doktorskiej, moja praca skoncentrowana jest głównie na syntezie nowych materiałów i zastosowaniu fotokatalizy do rozkładu trwałych zanieczyszczeń obecnych w wodzie i powietrzu. W szczególności skupiam się na rozkładzie farmaceutyków, niepodatnych na rozkład biologiczny w konwencjonalnych systemach oczyszczania ścieków komunalnych i przemysłowych. Tymi farmaceutykami są m.in. naproksen, ibuprofen czy paracetamol, czyli popularne środki, stosowane w lekach przeciwbólowych, które dostępne są bez recepty i z których wielu z nas na co dzień korzysta - wyjaśnia mgr inż. Marta Kowalkińska.

Można wyróżnić dwa rodzaje fotokatalizy. Homogeniczna zachodzi, kiedy kiedy fotokatalizator znajduje się w tej samej fazie termodynamicznej co substraty, np. jest razem z substratami rozpuszczony w układzie. Z kolei heterogeniczna ma miejsce w przypadku, gdy katalizator znajduje się w innej fazie termodynamicznej niż jeden lub wszystkie substraty, np. fotokatalizator jest osadzony na powierzchni ciała stałego.

– Choć farmaceutyki w ściekach nie występują w dużych stężeniach, to mogą ulegać bioakumulacji w wodzie, czy biomagnifikacji w środowisku, powodując toksyczność i w różny sposób wpływając na organizmy żywe – Zależy nam na tym, żeby opracować takie technologie, dzięki którym te substancje zostaną wyeliminowane ze ścieków oraz z wód powierzchniowych – wyjaśnia prof. Anna Zielińska-Jurek

Wśród innych zastosowań tej metody jest orzymywanie wodoru poprzez fotokatalityczny rozkład wody, wykorzystanie tlenku tytanu w samoczyszczących się powierzchniach, do produkcji fotokatalizatorów służących do oczyszczania z herbicydów wody z pól uprawnych, sterylizacji narzędzi chirurgicznych i usuwanie niepożądanych odcisków palców z wrażliwych elementów elektrycznych i optycznych, terapii, czy też fotodynamicznej nowotworów,

Jak podkreślają chemiczki, organizm człowieka częściowo metabolizuje te związki farmaceutyczne. Metabolity te jednak nie zawsze są podatne na rozkład biologiczny. Co więcej, część związków wydalana jest z naszego organizmu w formie niezmienionej.

Nie tylko woda

Badania podejmowane przez zespół z Politechniki Gdańskiej dotyczą także innych aspektów, jak choćby wykorzystanie skonstruowanego fotokalizatora w innym zakresie, w tym przemysłowym, a także związanym z ochroną środowiska i dekarbonizacją.

– Nasz zespół opracował fotokatalizator, zdolny do eliminowania szerokiego spektrum zanieczyszczeń powietrza: tlenków azotu, benzo(α)pirenu obecnego w pyłach oraz lotnych zanieczyszczeń organicznych. Co ważne, nasze rozwiązanie jest innowacyjne w skali całego świata. Fotokatalizator jest w stanie eliminować te zanieczyszczenia pod wpływem promieniowania słonecznego. Światło UV jest drogie i jest go bardzo mało w spektrum promieniowania słonecznego, mianowicie jedynie 3-5%. Dlatego chcemy zwiększyć wydajność procesu poprzez aktywację materiału w świetle widzialnym. Nad wprowadzeniem tego rozwiązania ściśle współpracujemy z PKN Orlen S.A – wyjaśnia prof. Zielińska-Jurek

– Fotokatalizatory mogą być stosowane do modyfikacji na różnych powierzchniach, nadając im nowe właściwości. W tym przypadku jest to asfalt modyfikowany dodatkiem ekologicznym w postaci fotokatalizatora aktywowanego światłem słonecznym. Nawierzchnia będzie zawierała warstwę zdolną do degradacji zanieczyszczeń, a więc na przykład tlenków azotu, należących do najgroźniejszych związków zanieczyszczających atmosferę, emitowanych m.in. w trakcie spalania paliw kopalnych oraz z transportu samochodowego – tłumaczy mgr inż. Marta Kowalkińska.

Małgorzata Kowalkińska jest również wykonawcą w projekcie „Ekologiczne asfalty”, realizowanym w ramach programu „Szybka ścieżka” (NCBiR). Obecnie jest przygotowywane na także Politechnice Gdańskiej zgłoszenie patentowe, dotyczące syntezy i zastosowania opracowanego dodatku ekologicznego do asfaltu.

Fot. Depositphotos