science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Ontsmetten van met pesticiden verontreinigd water met behulp van technisch nanomateriaal

Op magnetronsputteren gebaseerde plasmareactor die wordt gebruikt voor de bereiding van de foto-elektroden van titaanoxide samen met stikstof en wolfraam. Krediet:Mijn Ali El Khakani, INRS

Atrazine is een van de meest gebruikte pesticiden in Noord-Amerika. Onderzoekers van het Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) hebben een nieuwe methode ontwikkeld om het af te breken die een nieuw nanogestructureerd materiaal en zonlicht combineert.

Atrazine wordt overal in het milieu aangetroffen, zelfs in het drinkwater van miljoenen mensen in het hele land. Conventionele waterbehandelingen zijn niet effectief in het afbreken van dit bestrijdingsmiddel. Nieuwere processen zijn effectiever, maar gebruik chemicaliën die giftige bijproducten in het milieu kunnen achterlaten.

Professor My Ali El Khakani, een expert in nanogestructureerde materialen, en professor Patrick Drogui, specialist in elektrotechniek en waterbehandeling, hebben hun krachten gebundeld om een ​​nieuw ecologisch afbraakproces voor atrazine te ontwikkelen dat zo chemicaliënvrij mogelijk is. "Door synergetisch te werken, we hebben een waterzuiveringsproces kunnen ontwikkelen dat we afzonderlijk nooit hadden kunnen realiseren. Dit is een van de grote toegevoegde waarden van interdisciplinariteit in onderzoek, " zegt professor El Khakani, hoofdauteur van de studie, waarvan de resultaten vandaag in het tijdschrift worden gepubliceerd Katalyse vandaag .

De onderzoekers gebruiken een bestaand proces, foto-elektrokatalyse of PEC genoemd, die ze hebben geoptimaliseerd voor de afbraak van atrazin. Het proces werkt met twee foto-elektroden (lichtgevoelige elektroden) met tegengestelde ladingen. Onder invloed van licht en een elektrische potentiaal, het genereert vrije radicalen op het oppervlak van de foto-elektroden. Die radicalen interageren met atrazinemoleculen en breken ze af. "Het gebruik van vrije radicalen is voordelig omdat het geen giftige bijproducten achterlaat zoals chloor zou doen. Ze zijn zeer reactief en onstabiel. Omdat hun levensduur erg kort is, hebben ze de neiging om snel te verdwijnen, " legt professor Drogui uit, wie is co-auteur van de studie.

De uitdagingen van de materialen

Om foto-elektroden (lichtgevoelige elektroden) te maken, Professor El Khakani koos voor titaniumoxide (TiO 2 ), een materiaal dat zeer overvloedig is, chemisch stabiel, en gebruikt in veel toepassingen, waaronder wit pigment in verven of zonnebrandmiddelen. Gebruikelijk, dit halfgeleidende materiaal zet de lichtenergie van UV-stralen om in actieve ladingen. Om het volledige zonnespectrum te benutten, d.w.z. zichtbaar licht naast UV, Professor El Khakani moest de TiO2-films gevoelig maken voor zichtbaar zonlicht. Hiertoe, zijn team gemodificeerde titaniumoxide op atomaire schaal door stikstof- en wolfraamatomen op te nemen met behulp van een plasmaproces. Deze dotering vermindert de fotonenergie die nodig is om PEC in deze nieuwe foto-elektroden te activeren.

Aangezien het PEC-proces echt een oppervlaktefenomeen is, de behandeling van een groot volume vereist een groot oppervlak van de foto-elektroden. Voor deze, Het team van professor El Khakani maakte gebruik van de voordelen van nanostructurering van het oppervlak van foto-elektroden. "In plaats van een plat oppervlak te hebben, stel je voor dat je het op nanoschaal beeldhouwt om valleien en bergen te creëren. Dit vergroot het beschikbare actieve oppervlak zonder het fysieke oppervlak te veranderen. Dit wordt nanostructurering genoemd. Dus, het actieve oppervlak wordt kunstmatig duizenden keren vergroot in vergelijking met het fysieke oppervlak. Met 1 g materiaal, actieve oppervlakten tussen 50 en 100 m 2 kan worden bereikt - dat is ongeveer de oppervlakte van een appartement, " zegt professor El Khakani.

Nieuwe procesefficiëntie en zijn limieten

Nadat de foto-elektroden waren ontwikkeld en geïntegreerd in een PEC-reactor, Het team van professor Drogui optimaliseerde het proces. Zijn team gebruikte eerst monsters van gedemineraliseerd water waaraan atrazine was toegevoegd. PEC met de foto-elektrode elimineerde ongeveer 60 procent van het pesticide na 300 minuten behandeling. Onderzoekers gingen vervolgens verder met echte monsters van water verzameld uit de Nicolet-rivier (QC, Canada) in de buurt van gebieden met intensieve maïs- en sojateelt waar vaak herbiciden worden gebruikt.

Bij gebruik van echte watermonsters, slechts 8 procent van het atrazine werd aanvankelijk afgebroken. Dit lage percentage is te wijten aan de aanwezigheid van zwevende deeltjes die voorkomen dat veel van het licht de foto-elektrode bereikt. In aanvulling, de soorten die in de oplossing aanwezig zijn, kunnen zich aan de elektrode hechten, waardoor het actieve gebied wordt verkleind. Voortbouwend op haar expertise op het gebied van waterzuivering, Het team van professor Drogui voerde voorbehandelingen uit op basis van coagulatie en filtratie van bepaalde soorten voordat de PEC-aanpak opnieuw werd toegepast. Ze slaagden er vervolgens in om 38 tot 40 procent van atrazin in de echte monsters af te breken.

De efficiëntie van de behandeling blijft relatief laag in vergelijking met synthetisch water omdat echt water bicarbonaten en fosfaten bevat die vrije radicalen vasthouden en voorkomen dat ze reageren met atrazine. "Voorbehandeling door chemische coagulatie helpt bij het verwijderen van fosfaten, maar geen bicarbonaten. Calcium kan worden toegevoegd om ze neer te slaan, maar we willen het gebruik van chemicaliën minimaliseren, " zegt professor Drogui.

Volgens de auteurs is hun nieuwe geoptimaliseerde PEC kan worden gebruikt als tertiaire behandeling, na het verwijderen van gesuspendeerde deeltjes en coaguleerbare soorten. Echter, er is een pre-industriële demonstratiefase nodig voordat wordt nagedacht over grootschalig gebruik. Eindelijk, hun proces is gebruikt om atrazin af te breken, maar de twee teams blijven samenwerken om andere opkomende verontreinigende stoffen en antibioticaresiduen in water aan te pakken.