Nową technologię z zastosowanie ultradźwięków opracowano w Instytucie Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk. W artykule, który ukazał się w czasopiśmie „Ultrasonics – Sonochemistry”, naukowcy z IChF PAN jako pierwsi opisali technikę osadzania nanocząstek TiO2 na wewnętrznych ściankach rurek o średnicach mikrometrowych. Tak przygotowane polimerowe przewody stają się mikroprzepływowymi fotoreaktorami. Oznacza to, że po wystawieniu ich na działanie światła słonecznego, urządzenia te stają się ciągłym źródłem czystej wody. Mogą również służyć do pozyskiwania cennych półproduktów dla przemysłów farmaceutycznego czy perfumeryjnego.
– Odpowiednio używając ultradźwięków, potrafimy wytwarzać w rurkach jednorodne warstwy fotokatalizatora o precyzyjnie kontrolowanej grubości, zoptymalizowane pod kątem konkretnych procesów chemicznych – wyjaśnia prof. Juan Carlos Colmenares z IChF PAN. – Dzięki rurkom pokrytym od wewnątrz fotokatalizatorem jesteśmy w stanie prowadzić reakcje non stop, przy ciągłym przepływie cieczy przez układ. To nowatorskie podejście. W dotychczasowych fotoreaktorach ciecz trzeba było oczyszczać porcjami, na dodatek zwykle zawierającymi hektolitry płynu.
Mikrofotoreaktor to rurka polimerowa długości ok. pół metra i zewnętrznej średnicy zbliżonej do milimetra, pokryta od wewnątrz warstewką ditlenku tytanu i nawinięta na szklaną bagietkę. Ciecz jest wtłaczana do wnętrza rurki za pomocą niewielkiej zewnętrznej pompy dozującej i wchodzi w reakcje z fotokatalizatorem uaktywnionym światłem. Odpowiednio dobierając grubość warstwy nanocząstek TiO2, a także modyfikując długość rurek czy szybkość przepływu, można wpływać na skład chemiczny cieczy wypływającej z mikroreaktora. Możliwości pojedynczego mikrofotoreaktora nie są duże. Dziennie mogą one wytwarzać zaawansowane produkty chemiczne w ilościach rzędu miligramów, ale w urządzeniu wielkości niewiele większej niż smartfon można umieścić ich kilkanaście.
We wspomnianej publikacji naukowcy piszą o oczyszczaniu wody z zanieczyszczeń fenolami, ale przeprowadzili także udane eksperymenty oczyszczania jej ze składników ligniny jednego z bardziej uciążliwych odpadów przemysłu papierniczego. Efektem procesu oczyszczania były związki chemiczne, z których można syntetyzować cenne leki czy substancje zapachowe.
Naukowcy z IChF PAN sądzą, że nowe fotoreaktory są świetnymi kandydatami na układy regenerujące do systemów z obiegiem zamkniętym, takich jak statki kosmiczne. Urządzenia są niewielkie i mają możliwość pracy ciągłej, instalację łatwo rozbudowywać. Ich zaletą w przypadku technologii kosmicznej jest fakt, że poza atmosferą światło słoneczne jest znacznie bardziej intensywne. Procesy mogły by zatem być wydajniejsze.
Szersze omówienie zagadnień związanych z mikrofotoreaktorami przepływowymi ukazało się także w prestiżowym czasopiśmie naukowym „Chemical Society Reviews” brytyjskiego Królewskiego Towarzystwa Chemicznego.
Badania grupy naukowców z IChF PAN zostały sfinansowane z grantu SONATA BIS Narodowego Centrum Nauki.
Jk
(źródło: PAP – Nauka w Polsce)