Instytut Chemii Fizycznej

   Polskiej Akademii Nauk

 

adres:       ul. Kasprzaka 44/52 

                01-224 Warszawa

 

tel.:          +48 22 3432000

fax/tel.:     +48 22 3433333, 6325276

 

email:        ichf@ichf.edu.pl

WWW:      http://www.ichf.edu.pl/

 

 

 

 

Warszawa, 22 lipca 2010

 

 

 

Prosty przepis na usuwanie nanozanieczyszczeń

 

 

            Niebezpieczne lub cenne nanoobiekty coraz częściej w niekontrolowany sposób

            trafiają do środowiska. Unikatowa metoda, opracowana przez Instytut Chemii

            Fizycznej PAN, pozwala łatwo i tanio usuwać je ze ścieków, a nawet odzyskiwać.

            Rozwiązanie można również wykorzystać do produkcji nanokompozytów,

            w tym katalizatorów.

 

 

            Żyjemy w dobie dynamicznego rozwoju różnych nanotechnologii. Ubocznym skutkiem ich upowszechniania jest przedostawanie się do środowiska coraz większych ilości struktur o rozmiarach nanometrowych. Wiele z tych struktur jest bardzo groźnych dla człowieka. Nanorurki węglowe mogą mieć długość zbliżoną do rozmiarów komórki - kilkanaście mikrometrów - przy średnicy zaledwie kilku nanometrów; taki obiekt działa jak igła i trudno usunąć go z organizmu. Równie groźne są nanostruktury o kształcie kulistym, wykonane z niebezpiecznych substancji, np. drobiny kadmowo-selenowe. Tymczasem stosowane obecnie sposoby mechanicznego i chemicznego oczyszczania ścieków nie eliminują nanozanieczyszczeń, a metody laboratoryjne sprawdzają się tylko przy niewielkich objętościach płynów. Instytut Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN) opracował nowatorski proces oczyszczania ścieków z zanieczyszczeń o rozmiarach nanometrowych, przeznaczony do zastosowań w skali przemysłowej. "Rozwiązanie okazało się tak proste, tanie i efektywne, że chroniomy je już czterema patentami" - podkreśla prof. dr hab. Robert Hołyst, dyrektor do spraw naukowych IChF PAN.

            Opracowana w ciągu ostatnich pięciu lat metoda usuwania nanometrowych drobin polega na dodawaniu do zanieszczyszczonego roztworu dwóch substancji: surfaktantu (czyli substancji powierzchniowo czynnej, takiej jak mydło) i polimeru (np. nieszkodliwego dla środowiska i taniego poliglikolu etylenowego). "Jeśli odpowiednio dobierzemy stężenia, wszystkie drobne zanieczyszczenia zbiorą się w wierzchniej, pływającej warstwie o konsystencji rzadkiego mydła, pod którą znajduje się czysta woda z łatwym do odzyskania polimerem" - mówi doc. dr hab. Marcin Fiałkowski z IChF PAN. Wierzchnią warstwę surfaktantu można w prosty sposób zebrać metodami mechanicznymi, a następnie zutylizować lub przetworzyć w celu odzyskania zawartych w niej substancji.

            Mechanizm fizyczny odpowiedzialny za separację substancji w roztworze jest związany z różnicą rozmiarów geometrycznych drobin surfaktantu i polimeru. Surfaktanty - substancje będące dominującymi składnikami wszystkich środków czystości - tworzą w roztworach agregaty nazywane micelami. Mogą one mieć różny kształt, ale często przypominają kulki. Z kolei polimer ma postać kłębka, w przybliżeniu także podobnego do kuli. Jeśli dwie "kule" surfaktantu znajdą się dostatecznie blisko siebie, mniejsza "kulka" polimeru nie będzie mogła się między nie wepchnąć i pozostanie w pewnej odległości, nazywanej promieniem żyracji. Zatem gdy micele surfaktantu zbliżą się do siebie na odległość mniejszą od dwukrotnego promienia żyracji, powstanie między nimi pusta przestrzeń. Pojawia się wówczas różnica stężeń polimeru i związane z nią ciśnienie osmotyczne. Woda wypływa spomiędzy miceli, te zbliżają się do siebie i w roztworze w ciągu kilkudziesięciu minut zachodzi separacja faz. Proces odbywa się nawet wówczas, gdy do roztworu zawierającego jonowy surfaktant zostanie dodany polimer z ładunkiem elektrycznym (polielektrolit) o tym samym znaku.

            Badania wykazały, że jeśli w początkowym roztworze znajdowały się jakieś drobiny, gromadzą się one w warstwie bogatej w surfaktant. "W jednym z eksperymentów badaliśmy roztwór nanocząstek złota o rozmiarach 5 nanometrów. Po dodaniu kilku procent mydła i ok. 10% polimeru, na powierzchni utworzyła się lepka i elastyczna warstwa z surfaktantem. Znajdowały się w niej drobiny złota, które w innych warunkach, jako cięższe od wody, powinny opaść na dno" - opisuje doktorantka Ewelina Kalwarczyk z Zakładu Fizykochemii Miękkiej Materii IChF PAN. Metoda działa także w przypadku detergentów, które zagęszczają się i zostają wyniesione na powierzchnię.

            Przy zastosowaniach na skalę przemysłową istotne znaczenie ma fakt, że po zakończeniu procesu polimer pozostaje w wodzie, skąd można go niemal w całości odzyskać. Jedyną zużywaną substancją jest surfaktant, czyli mydło, w którym zostają zamknięte nanozanieczyszczenia. 11-miesięczne testy nie wykazały żadnych zmian w stabilności fizycznej i chemicznej zebranego surfaktantu, co oznacza, że zawarte w nim drobiny są skutecznie odizolowane od środowiska.

            Warstwa powierzchniowa powstająca w roztworach ma uporządkowaną strukturę heksagonalną. Ponieważ rodzaj uporządkowania zależy wyłącznie od stężenia, struktury tego typu są nazywane liotropowymi ciekłymi kryształami. W tworzące je matryce za pomocą opisywanej metody łatwo wprowadzić starannie dobrane nanocząstki. Matryce można następnie utrwalić i usunąć część organiczną. Opracowana w Instytucie Chemii Fizycznej PAN metoda nadaje się więc nie tylko do oczyszczania ścieków, ale także do produkcji materiałów kompozytowych zawierających domieszki złota, platyny, srebra, półprzewodników, nanorurek węglowych itp. Materiały tego typu znajdują zastosowanie przy budowie ogniw słonecznych oraz w różnego rodzaju katalizatorach, np. samochodowych.

 

Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (http://www.ichf.edu.pl/) został powołany w 1955 roku jako jeden z pierwszych instytutów chemicznych PAN. Profil naukowy Instytutu jest silnie powiązany z najnowszymi światowymi kierunkami rozwoju chemii fizycznej i fizyki chemicznej. Badania naukowe są prowadzone w 9 zakładach naukowych. Działający w ramach Instytutu Zakład Doświadczalny CHEMIPAN wdraża, produkuje i komercjalizuje specjalistyczne związki chemiczne do zastosowań m.in. w rolnictwie

i farmacji. Instytut publikuje około 300 oryginalnych prac badawczych rocznie.

 

 

 

KONTAKTY DO NAUKOWCÓW:

 

                prof. dr hab. Robert Hołyst

                Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk

                tel. +48 22 3433123

                email: holyst@ichf.edu.pl

 

                dr hab. Marcin Fiałkowski

                Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk

                tel. +48 22 3432233

                email: fialkows@ichf.edu.pl

 

 

 

POWIĽZANE STRONY WWW:

 

                http://www.ichf.edu.pl/

                Strona Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk.

 

                http://www.ichf.edu.pl/press/

                Serwis prasowy Instytutu Chemii Fizycznej PAN.

 

 

 

MATERIAŁY GRAFICZNE:

 

IChF100722b_fot01s.jpg                                    HR: http://ichf.edu.pl/press/2010/07/IChF100722b_fot01.jpg

Doktorantka Ewelina Kalwarczyk z Instytutu Chemii Fizycznej PAN z próbką, w której odseparowano fluorescencyjne nanocząstki półprzewodnikowe. W tle wielokomorowy system ultrawysokiej próżni do analiz powierzchni próbek litych i proszkowych technikami spektroskopii elektronowych i mikroskopii STM i AFM. (Źródło: IChF PAN/Grzegorz Krzyżewski)