Titanoxidmaterial kann giftige Farbstoffe aus Abwasser entfernen

Farbstoffe werden in großen Mengen von Textil-, Kosmetik-, Tinten-, Papier- und anderen Herstellern abgegeben, sind hochtoxisch und können potenziell krebserregend ins Abwasser gelangen. Es ist ein großes Problem bei der Abwasserbehandlung – aber Forscher am College of Engineering der Drexel University haben möglicherweise eine Lösung gefunden, indem sie ein winziges Nanofilament verwenden.

Michel Barsoum, Ph.D., Distinguished University-Professor am College of Engineering, und sein Team, zu dem auch Forscher des College of Arts and Sciences in Drexel gehörten, haben in einer Studie herausgefunden, dass ein eindimensionales Titanoxid-Photokatalysatormaterial mit Lepidocrocit-Struktur über diese Fähigkeit verfügt um zwei häufig vorkommende Farbstoffschadstoffe – Rhodamin 6G und Kristallviolett – im sichtbaren Lichtspektrum abzubauen.

Das Material reduzierte auch diese Farbstoffkonzentrationen im Wasser in nur 30 Minuten um 90 % bzw. 64 %, wenn das Massenverhältnis von Ausgangskatalysator zu Farbstoff 1 zu 1 betrug.

„Das ist eine aufregende Erkenntnis, denn sie hilft, ein Problem anzugehen, das eine echte Herausforderung für den Wasseraufbereitungsprozess darstellt“, sagte Barsoum. „Wir gehen davon aus, dass die Integration unseres Titanoxid-Photokatalysators in die aktuellen Prozesse seine Wirksamkeit bei der Entfernung dieser Chemikalien verbessern und gleichzeitig die dafür erforderliche Energiemenge reduzieren könnte.“

Der Prozess beginnt mit der Adsorption, bei der der Farbstoff an der Oberfläche des Nanofilaments haftet und nach der Beleuchtung einer Photokatalyse unterliegt. Der Farbstoff sensibilisiert die Nanofilamente für sichtbares Licht. Dieser Prozess beschleunigt den Abbau, sodass der Farbstoff in harmlose Nebenprodukte wie Kohlendioxid und Wasser zerfällt.

Die Studie wurde kürzlich in der Fachzeitschrift veröffentlicht Gegenstandfanden heraus, dass der Schlüssel zum Farbstoffabbau und zur Selbstsensibilisierung in der Fähigkeit des Materials liegt, Elektronenlöcher und etwas namens „ROS“ zu erzeugen – Hydroxyl-, Superoxid- und Singulettsauerstoffradikale sowie Elektronenlöcher.

Bei den beiden Farbstoffzielen handelt es sich häufig um farbstoffbedingte Abwässer im Abwasser. Abwasser, was wörtlich etwas bedeutet, das abfließt, ist etwas anderes als im Abwasser enthaltenes Abwasser. Feste Abfälle können gefiltert und entfernt werden, bevor das Wasser gereinigt wird. Das Abwasser ist im Wasser suspendiert und lässt sich nur schwer trennen und entfernen.

Rhodamin 6G ist ein von Xanthen abgeleiteter Farbstoff, der hauptsächlich in der Holzverarbeitung, beim Färben von Papier, in der Federtinte und in der Kosmetik verwendet wird. Kristallviolett, ein Triphenylmethanfarbstoff, wird zum Färben von Tinte und Textilien verwendet. Diese Farbstoffe sind wasserlöslich und jeder Überschuss wird als Abwasser abgeführt.

Abwasser ist weltweit ein großes Umweltproblem und seine Existenz hat langfristige Auswirkungen auf die Gesundheit von Menschen, Wasserpflanzen und Tieren. Haushalte und Industrie erzeugen weltweit jedes Jahr fast 380 Milliarden Kubiktonnen Abwasser. Nur 24 % davon werden aufgrund von Herausforderungen bei der Behandlung ausreichend behandelt, darunter hoher Energieverbrauch, das Vorhandensein von Chemikalienrückständen, die Besetzung der Behandlungszentren und die unzureichende Verarbeitung komplexer und hartnäckiger Schadstoffe, einschließlich Farbstoffe.

Den Forschern zufolge sind die gängigsten Abwasserbehandlungsmethoden wie Sedimentation, biologische Oxidation und chemisch-physikalische Behandlung bei der Entfernung von Farbstoffen aufgrund der komplexen Molekülstruktur und wasserlöslichen Natur der Farbstoffe unwirksam.

Die Adsorption mit Tonmaterialien, Aktivkohle, Eisenoxid und natürlichen Materialien wie Kaffeesatz wurde ebenfalls bereits verwendet und weist eine hohe kationische Farbstoffaufnahme auf, tauscht Ionen aus oder bildet Bindungen. Diese Materialien ermöglichen jedoch lediglich die Trennung des Farbstoffs vom Wasser – der Farbstoff existiert immer noch und wird einfach an die Adsorptionsmaterialien im Abwasser gebunden.

Photokatalysatoren, von denen lange angenommen wurde, dass sie der Schlüssel zur Entfernung von Farbstoffen aus Wasser sind, haben bisher keine nachhaltige Lösung hervorgebracht. Laut Barsoum erfordern viele Photokatalysatoren typischerweise eine UV-Lichtbehandlung, die viel Energie verbraucht. Die Wirkung des neuen Nanofilaments liegt in seinem Selbstsensibilisierungsverhalten, das das Nanofilament empfindlicher gegenüber sichtbarem Licht macht.

„Die Verwendung von sichtbarem Licht – also Licht, das das menschliche Auge sehen kann – wie der Sonne oder anderen simulierten Lichtquellen, könnte die mit der Behandlung verbundenen finanziellen und Energieverbrauchskosten erheblich senken und gleichzeitig Farbstoffe aus dem Abwasser hochwirksam entfernen und giftige Stoffe beseitigen.“ Abwässer“, sagte Adam Walter, Doktorand in Barsoums Forschungsgruppe und Erstautor der Arbeit am Department of Materials Science and Engineering.

„Dies stellt auch eine spannende Chance für die Expansion in andere Bereiche wie Solarzellen oder optische Geräte dar.“

Das Ergebnis: saubereres Wasser ohne den Einsatz zusätzlicher Giftstoffe oder zusätzlicher Energie.

Zur Durchführung der Studie nutzte das Team Röntgenbeugung, um die Anordnung der Atome im Nanomaterial zu charakterisieren. Sie charakterisierten das Nanomaterial weiter mit Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie, die Elektronenstrahlen auf das Material schickt, um ein Bild zu erzeugen.

Um die Entfärbung des Farbstoffs zu überwachen, überwachte das Team die Probe mittels Ultraviolett-sichtbarer Spektroskopie und quantifizierte die Mineralisierung anhand des chemischen Sauerstoffbedarfs. Die Studie beschreibt detailliert die strukturellen und optischen Eigenschaften der Nanofilamente sowie die Aussichten des Materials für die Abwasserbehandlung aufgrund seiner Adsorptionseffizienz beider in der Studie getesteten Farbstoffe.

Eines der wichtigsten Ergebnisse der Studie war der starke Beweis dafür, dass das Nanofilament durch den Farbstoff sensibilisiert wird, was eine symbiotische Beziehung zwischen Zusatzstoff und Abwasser darstellt, die zu saubererem, weniger giftigem Wasser führt. Eine Möglichkeit, darüber nachzudenken, sagte Walter, ist, dass der Farbstoff seine eigene Zerstörung katalysiert.

Darüber hinaus lieferte diese Studie zwar Beweise dafür, dass das Nanofilament zur Verbesserung der Wasseraufbereitungsfähigkeiten genutzt werden könnte, dient aber auch als erster Beweis dafür, dass die Materialien sensibilisiert werden können, was die Tür zu anderen Anwendungen in Solarzellen und optischen Geräten öffnet. Anfang des Jahres untersuchte das Team dasselbe Nanofilament und stellte fest, dass es so ist Sonnenlicht für die Wasserstofftrennung nutzenwas sein Potenzial bei der Erzeugung umweltfreundlicher Kraftstoffe freisetzen könnte.

„Wir fangen gerade erst an, die Möglichkeiten dieses Materials zu entdecken“, sagte Barsoum. „Wenn wir die Prozesse, die sein Verhalten ermöglichen, besser verstehen, erwarten wir die Erforschung neuer Anwendungen, bei denen es die Leistung der Technologie verbessern könnte, die die Welt braucht, um sich in eine nachhaltigere Zukunft zu bewegen.“