Jetdrivende spildevandsrensning

Forskere fra Max Planck Institute for Intelligent Systems i Stuttgart har udviklet en ny metode til aktiv nedbrydning af organiske forurenende stoffer i opløsning ved hjælp af svømmemikromotorer. De mobile mikrorensere består af et ydre jern og et indre platinlag, og kombinerer derved to funktioner. Brintoverilte, som skal tilsættes til den forurenede opløsning, fungerer som brændstof til platinmikromotorer og som reagens til nedbrydning af organiske forurenende stoffer på jernlaget. Der findes ikke mange metoder til vellykket rengøring af forurenet spildevand. Fenton -reaktionen, en af ​​de mest populære avancerede oxidationsprocesser til nedbrydning af organiske forurenende stoffer, er afhængig af spontan sur korrosion af jernmikromotoroverfladen i nærvær af hydrogenperoxid. Forskerne rapporterer, at oxidationen af ​​organiske forurenende stoffer, der opnås ved en sværm af disse selvkørende mikrostråler, er tolv gange højere end ved brug af urørlige jernmikrorør.

Almindelige vandbehandlingsmetoder er ineffektive til fjernelse af de fleste typer organiske forurenende stoffer. Mineralolier, pesticider, organiske opløsningsmidler, maling og organochlorider kan ikke fjernes ved hjælp af chorid, ozon- eller flokkuleringsmetoder, der er en del af regelmæssige vandbehandlingsprocedurer. Fenton -reaktionen, på den anden side, er yderst effektiv til at fjerne disse forurenende stoffer. Udtrykket 'Fenton -reaktion' refererer til anvendelsen af ​​en kombination af jern og hydrogenperoxid til at oxidere organiske forurenende stoffer, derved nedbryde dem til kuldioxid og vand. Flertrinsreaktionen katalyseres af Fe (II) -ioner. Gruppen af ​​Samuel Sánchez ved Max Planck Institute for Intelligent Systems har nu kombineret det bedste fra to verdener og skabt et to-lags, selvkørende version af dette mikroskopiske rengøringssystem. Deres mikrostråler har en indre platinmikromotor drevet af hydrogenperoxid og et ydre rengøringslag, hvor hydrogenperoxid reagerer med organiske forurenende stoffer i nærvær af jern. Fe (II) -ionerne, der er nødvendige som katalysatorer for Fenton -reaktionen, dannes, når jernet på den ydre røroverflade etablerer kontakt med vand.

For at producere deres mobile rengøringssystemer, forskerne brugte en metode til at rulle metal tynde film op, der blev udviklet kun et par år tilbage. De fordampede et 100-200 nanometer tyndt lag jern på en glasoverflade belagt med et tæt mønster af justerede lakfirkanter. I et andet trin, forskerne tilføjede et platinlag med kun en nanometer tykkelse, ved hjælp af en særlig sprutteknik. På grund af metallernes forskellige mekaniske egenskaber, dobbeltlaget begynder at rulle op i en rørform, når laklaget er fjernet. "Denne teknik giver os mulighed for at producere et stort antal multifunktionelle rør", siger Samuel Sánchez, leder af Max Planck Research Group i Stuttgart.

Oxygenbobler gør mikrorørene til en jetmotor

Platinlaget fungerer som en motor, fordi, meget gerne jern, det katalyserer en kemisk reaktion med oxidationsmidlet hydrogenperoxid. "Brintoverilte fungerer som brændstof til vores miniaturebåde, "forklarer Luis Soler, en videnskabsmand i forskergruppen. Når hydrogenperoxid og platin reagerer, platin fungerer som en katalysator for nedbrydning af hydrogenperoxid til vand og ilt, derved dannes små bobler. Efterhånden som der produceres flere og flere bobler, de flygter fra røret. I første omgang, forskellige mængder iltudgang på hver side af røret, og røret er tilfældigt jet-drevet. Så snart røret har nået en bestemt hastighed, selvom, alle bobler slipper ud til den ene side, og røret stikkes i den modsatte retning af de udslipende bobler, derved fodrer mere brændstof ind i forenden.

Den oprindelige idé om at indkapsle platinmikromotorer med et jernlag kom til liv, mens forskerne tænkte på et helt andet problem. Typiske visioner om de teknologiske muligheder for fremtidige mikro- og nanomotorer omfatter hurtig transport af farmaceutiske midler til specifikke målområder som tumorceller, for eksempel. Ved ankomst, de ville bore gennem cellemembranen som en nanocanula og injicere det aktive middel direkte i målcellen. Imidlertid, en stor hindring er stadig i vejen for at nå denne vision:hydrogenperoxid, ligesom alle andre brændstoffer, der er udviklet til disse motorer, skader levende organismer. Og det er her ideen til en ny applikation kommer ind:forskerne besluttede at anvende deres mikromotorer på steder, hvor brugen af ​​hydrogenperoxid ikke er en ulempe, men tjener snarere en vigtig funktion som co-reagens.

Et nyt middel mod malingrester og pesticider

Fordi jernlaget også er magnetisk, rørene kan styres til forurenende stoffer, der er svære at nå, og de kan genvindes, når deres arbejde er udført. Og, overflødig hydrogenperoxid påvirker ikke efterfølgende vandbehandling, fordi det er støt, men langsomt, nedbrydes til vand og ilt af sollys.

Samuel Sánchez forklarer gruppens motivation, "Vi ville konstruere mikromotorer, der har en meningsfuld anvendelse." Derefter påpeger han:”Den største begrænsning er, at denne form for vandrensning kun virker i lille skala, så langt. Derfor, vejen til industriel anvendelse er stadig lang og snoede. "Dog, denne nye teknologi baner vej mod brugen af ​​multifunktionelle mikromotorer til miljøapplikationer. Luis Soler tilføjer, "Jeg kan godt forestille mig, at disse mikromotorer en dag med succes vil tjene til at rense vand fra malingrester fra tekstilindustrien og pesticider fra landbruget."