Dekontaminering af pesticidforurenet vand ved hjælp af konstrueret nanomateriale

Atrazine er et af de mest anvendte pesticider i Nordamerika. Forskere ved Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) har udviklet en ny metode til at nedbryde den, der kombinerer et nyt nanostruktureret materiale og sollys.

Atrazin findes i hele miljøet, selv i drikkevandet fra millioner af mennesker over hele landet. Konventionelle vandbehandlinger er ikke effektive til at nedbryde dette pesticid. Nyere processer er mere effektive, men brug kemikalier, der kan efterlade giftige biprodukter i miljøet.

Professor My Ali El Khakani, en ekspert i nanostrukturerede materialer, og professor Patrick Drogui, specialist i elektroteknologi og vandbehandling, er gået sammen om at udvikle en ny økologisk nedbrydningsproces for atrazin, der er så kemikaliefri som muligt. "Ved at arbejde synergistisk, vi var i stand til at udvikle en vandbehandlingsproces, som vi aldrig ville have kunnet opnå separat. Dette er en af ​​de store værdier for tværfaglighed inden for forskning, "siger professor El Khakani, hovedforfatter af undersøgelsen, hvis resultater er offentliggjort i dag i tidsskriftet Katalyse i dag .

Forskerne bruger en eksisterende proces, kaldet fotoelektro-katalyse eller PEC, som de har optimeret til nedbrydning af atrazin. Processen fungerer med to fotoelektroder (lysfølsomme elektroder) med modsatte ladninger. Under påvirkning af lys og et elektrisk potentiale, det genererer frie radikaler på overfladen af ​​fotoelektroderne. Disse radikaler interagerer med atrazinmolekyler og nedbryder dem. "Brugen af ​​frie radikaler er fordelagtig, fordi den ikke efterlader giftige biprodukter, som klor ville gøre. De er meget reaktive og ustabile. Da deres levetid er meget kort, har de en tendens til at forsvinde hurtigt, "forklarer professor Drogui, der er medforfatter til undersøgelsen.

Materialernes udfordringer

For at lave fotoelektroder (lysfølsomme elektroder), Professor El Khakani valgte titaniumoxid (TiO ₂ ), et materiale, der er meget rigeligt, kemisk stabil, og bruges i mange applikationer, herunder hvidt pigment i maling eller solcreme. Som regel, dette halvledende materiale omdanner lysenergien fra UV -stråler til aktive ladninger. For at udnytte hele solspektret, dvs. synligt lys ud over UV, Professor El Khakani måtte gøre TiO2 -filmene følsomme over for synligt sollys. Til denne ende, hans team modificerede titaniumoxid i atomskala ved at inkorporere nitrogen- og wolframatomer ved hjælp af en plasmaproces. Denne doping reducerer fotonenergien, der kræves for at udløse PEC i disse nye fotoelektroder.

Da PEC -processen virkelig er et overfladefænomen, behandlingen af ​​et stort volumen kræver et stort overfladeareal af fotoelektroderne. For det, Professor El Khakanis team udnyttede fordelene ved nanostrukturering af overfladen af ​​fotoelektroder. "I stedet for at have en flad overflade, forestil dig at forme det på nanoskalaen for at skabe dale og bjerge. Dette øger den tilgængelige tilgængelige overflade uden at ændre den fysiske overflade. Dette kaldes nanostrukturering. Dermed, den aktive overflade øges kunstigt flere tusinde gange i forhold til den fysiske overflade. Med 1 g materiale, aktive overflader mellem 50 og 100 m ² kan opnås - det er omtrent overfladen af ​​en lejlighed, "siger professor El Khakani.

Ny proceseffektivitet og dens grænser

Når fotoelektroderne blev udviklet og integreret i en PEC -reaktor, Professor Droguis team optimerede processen. Hans team brugte først prøver af demineraliseret vand, hvortil atrazin blev tilsat. PEC med fotoelektroden eliminerede omkring 60 procent af pesticidet efter 300 minutters behandling. Forskere gik derefter videre til rigtige prøver af vand indsamlet fra Nicolet -floden (QC, Canada) nær områder med intensiv majs og sojabønder, hvor herbicider ofte bruges.

Ved brug af egentlige vandprøver, kun 8 procent af atrazinen blev først nedbrudt. Denne lave procentdel skyldes tilstedeværelsen af ​​suspenderede partikler, der forhindrer meget af lyset i at nå fotoelektroden. Ud over, de arter, der er til stede i opløsningen, kan vedhæfte elektroden og dermed reducere dens aktive område. Udnytter sin ekspertise inden for vandrensning, Professor Droguis team udførte forbehandlinger baseret på koagulering og filtrering af visse arter, før de anvendte PEC -metoden igen. Det lykkedes dem derefter at nedbryde 38 til 40 procent af atrazin i de rigtige prøver.

Behandlingseffektiviteten forbliver relativt lav i forhold til syntetisk vand, fordi ægte vand indeholder bikarbonater og fosfater, der fanger frie radikaler og forhindrer dem i at reagere med atrazin. "Forbehandling ved kemisk koagulation hjælper med at fjerne fosfater, men ikke bicarbonater. Calcium kunne tilsættes for at udfælde dem, men vi vil minimere brugen af ​​kemikalier, "siger professor Drogui.

Ifølge forfatterne, deres nye optimerede PEC kunne bruges som en tertiær behandling, efter fjernelse af suspenderede partikler og koagulerbare arter. Imidlertid, en præindustriel demonstration er påkrævet, før man tænker på storstilet brug. Endelig, deres proces er blevet brugt til at nedbryde atrazin, men de to teams arbejder fortsat sammen for at håndtere andre nye forurenende stoffer og antibiotikarester i vand.