Projekti / Programi
Razvoj fotokatalitičnih superparamagnetnih nanokompozitov za postopke zmanjševanja emisij škodljivih snovi v okolje
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.04.01 |
Tehnika |
Materiali |
Anorganski nekovinski materiali |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T153 |
Tehnološke vede |
Keramični materiali in praški |
razgradnja organskih onesnažil, magnetni nanodelci, anataz, nanokompozitni delci, fotokataliza
Raziskovalci (10)
Organizacije (3)
Povzetek
Atraktivna rešitev problema čiščenja organskih onesnažil v odpadnih vodah ali plinih je oksidativna fotokatalitska razgradnja z uporabo titanovega dioksida (TiO2) kot fotokatalizatorja. V postopku čiščenja je potrebno zagotoviti veliko površino fotokatalizatorja, zato je najprimernejše, če fotokatalizator pripravimo v obliki nanodelcev in ga dispergiramo v onesnaženi vodi. Problem takega načina čiščenja odpadnih vod je v tem, da je dispergirane nanodelce po uporabi iz suspenzije zelo težko izločiti in lahko pride do njihovih izpustov v okolje. Problemu onesnaženja vode po čiščenju s fotokatalizatorskimi nanodelci se lahko izognemo, če nanodelce nanesemo na magnetnega jedra, ki omogočijo njihovo izločitev iz suspenzije po čiščenju s pomočjo zunanjega magnetnega polja.
V okviru projekta bomo razvili magnetne fotokatalitske nanocompositne delce, sestavljene iz magnetnih jeder na katere bodo nanešeni fotokatalitski nanodelci TiO2. Taki fotokatalitski delci bodo omogočali dispergiranje v onesnaćeni vodi, njihovo popolno magnetno izločitev iz suspenziji po čiščenju in ponovno dispergiranje v novi onesnaženi vodi. Gre za nov material, ki ga bomo pripravili po metodi, ki se še ne uporablja in bo omogočala relativno lahek prenos v masovno proizvodnjo. Metoda priprave temelji na sintezi fotokatalitskih nanodelcev po sulfatnem postopku ali s hidrotermalno metodo, ter njihovo nanašnaje na predhodno sintetizirana magnetna jedra. Nanašanje fotokatalitskih delcev na površino magnetnih jeder bo potekala v vodnih suspenzijah. Električni naboj na površini magnetnih jeder bomo modificirali na tak način, da se bodo na njihovo površino zaradi nasprotnega naboja pripeli fotokatalitski nanodelci TiO2.
Pomen za razvoj znanosti
Predmet projekta je bil razvoj novih nanostrukturiranih delcev za fotokatalitsko razgradnjo onesnažil v vodi. Delci so sestavljeni iz površinskega sloja fotokatalitskih nanodelcev anatasa in superparamagnetnega jedra, ki omogoča njihovo magnetno izločevanje iz suspenzije po čiščenju. Od podobnih materialov opisanih v znanstveni literaturi, se razviti superparamagnetni fotokatalitski nanokompozitni delci razlikujejo predvsem v dveh točkah:
(i) V uporabi magnetnih nosilcev, ki imajo obliko aglomeratov superparamagnetnih nanodelcev. Taki magnetni nosilci zagotavljajo učinkovito magnetno separacijo fotokatalizatorja iz suspenzije po čiščenju in njegovo ponovno uporabo. Do sedaj so bili razviti fotokatalitski kompoziti z magnetnimi nosilci v obliki večjih delcev, ki jih po magnetni separaciji ni mogoče redispergirati ali posameznih superparamagnetnih nanodelcev, ki ne omogočajo dovolj učinkovite magnetne separacije.
(ii) Ne uporabljajo sol-gel postopka za nanos fotokatalitske plasti, ampak tehnološko mnogo lažje obvladljiv postopek, ki temelji na hidrolizi vodna raztopine TiOSO4.
Razvili smo znanje, ki je omogočilo za razvoj postopka za nanos fotokatalitskega materiala na magnetne nosilce po dveh metodah:
(i) Predhodno sintetizirane nanodelce anatasa smo povezali z magnetnimi aglomerati s heteroaglomeracijo v vodnih suspenzijah, pri čemer smo izkoriščali elektrostatske privlačne sile med delci z nasprotnim površinskim nabojem. Tak način priprave te vrste materialov je povsem originalen.
(ii) Magnetne aglomerate smo prevlekli z amorfno ali nanokristalinično anatasno plastjo TiO2 s hidrolizo TiOSO4 v vodni suspenziji nosilcev. Metoda je splošna, zanimiva za nanos plasti TiO2 na različne trdne nosilce in bo osnova za razvoj tudi drugih materialov, ki temeljijo na aktivnih plasteh TiO2, na primer v fotovoltaiki, nelinearni optiki, za izdelavo antibakterijskih prevlek, samočistinih prevlek, itd..
Da smo dosegli zastavljene cilje projekta, je bilo potrebno tudi nadgraditi znanje o sami sintezi fotokatalitskih delcev anatasa, superparamagnetnih nanodelcev železovega oksida maghemita ter o kontroli njihovih površinskih lastnosti. Prav tako smo morali nadgraditi znanje o ovrednotenju fotokatalitske aktivnosti materialov in s tem povezano analitiko.
Pomen za razvoj Slovenije
Predmet projekta je razvoj superpramagnetnih fotokatalitskih delcev za oksidativno razgradnjo organskih onesnažil v vodi. Delce dispergiramo v onesnaženi vodi, plast fotokataliskih nanodelcev TiO2 na njihovi površini omogoča razgradnjo onesnažil pod vplivom UV svetlobe, medtem ko omogočajo njihova superparamagnetna jedra magnetno separacijo po končanem čiščenju. Medtem, ko so sami fotokatalitski nanodelci že komercialno dostopni, pa gre pri superparamagnetnih fotokatalitskih delcih za nov produkt, ki ga še ni na tržišču. Vsi tehnološki postopki, ki so bili razviti za pripravo materiala so primerni za uvajanje v masovno proizvodnjo. Nadgradnja postopkov, ki bodo omogočali proizvodnjo večjih količin materiala že poteka v financiranju industrijskega partnerja Cinkarne. Rezultati projekta predstavljajo osnovo za razvoj povsem novih produktov in storitev z visoko dodano vrednostjo in so s tem pomembni za večanje konkurenčnosti slovenske industrije.
Projekt je pomemben tudi iz naravovarstvenega vidika. Onesnaženje vode in zraka z organskimi onesnažili je zelo velik problem tudi v Sloveniji. Projekt bo omogočil razvoj povsem novih načinov fotokatalitskega čiščenja odpadnih voda in priprave pitne vode. Razviti materiali/metode se bodo lahko uporabljali predvsem pri čiščenju večjih količin vode, ki je onesnažena z nizkimi koncentracijami onesnažil.
Projekt je pomemben tudi za nadaljnji razvoj drugih produktov, ki temeljijo na magnetni separaciji in na nanosih TiO2 na različnih trdnih nosilcih. Patentirani postopek priprave nanosov TiO2 se bo lahko uporabil kot podlaga za nadaljnji razvoj različnih področij, kot so fotovoltaika, samočistilne in baktericidne prevleke, itd.
V okviru projekta so sodelovali štirje mladi raziskovalci. Eden od partnerjev v projektu je bila Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerze v Mariboru. Projekt je tako prispeval k dvigu ravni podiplomskega izobraževanja in pripomogel k boljši povezanosti med industrijo in raziskovalno – izobraževalno dejavnostjo v Sloveniji.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2008,
2009,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2008,
2009,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
