Eesti Maaülikoolis kaitstud doktoritöö raames sündis lihtne meetod vasel põhinevate nanoosakeste valmistamiseks, mis suudavad päikesevalguse toimel lagundada vees leiduvaid ohtlikke tööstuslikke värvaineid.
Tekstiili-, naha- ja paberitööstuses kasutatakse praegu laialdaselt asovärve. Ühendite keemiline püsivus ja vastupidavus tähendab samas, et need lagunevad raskesti ka looduses. Nii võivad need veekogudesse sattudes ohustada keskkonda ja inimeste tervist. Tavalised veepuhastusmeetodid on aga sageli kallid, energiakulukad või ei suuda värvaineid täielikult eemaldada, tekitades mõnikord isegi ohtlikke kõrvalsaadusi.
Üks paljulubav lahendus on fotokatalüüs. Protsessi käigus aktiveeruvad pooljuhtmaterjalist osakesed valguse, näiteks päikesevalguse toimel. Aktiveerunud osakesed algatavad vees keemiliste reaktsioonide ahela, mille tulemusel tekivad üliaktiivsed hapnikuühendid. Need omakorda lagundavad keerulised ja ohtlikud värvimolekulid kahjututeks ühenditeks, nagu süsihappegaasiks ja veeks.
Seni on fotokatalüsaatoritena kasutatud peamiselt titaandioksiidi ja tsinkoksiidi, kuid nende aktiveerimiseks läheb tarvis UV-kiirgust, mis piirab ka nende laialdast kasutust. Samuti on Euroopas titaandioksiidi kasutamisele seatud juba ka piirangud võimaliku genotoksilisuse tõttu. Ecuadorist pärit Eesti Maaülikooli doktorant Edison Patricio Paredes Carranza keskendus oma töös laialt levinud ja odavale materjalile – vasele.
Timmitavad nanoosakesed
Paredes Carranza kasutas oma töös mittevesipõhist sool-geel-meetodit, et valmistada erineva koostisega vasel põhinevaid nanoosakesi. Sünteesi aega ja segamise kestust muutes õnnestus tal luua osakeste segusid, mis sisaldasid eri vahekorras vask(I)oksiidi (Cu2O), vasknitriidi (Cu3N) ja puhast vaske (Cu). See on oluline, kuna erineva koostisega osakesed on eri saasteainete lagundamisel erineva tõhususega.
Nagu meditsiinis ei sobi üks ravim kõigi haiguste vastu, selgus ka doktoritööst, et iga tööstusliku värvaine tõhusaks lagundamiseks on vaja oma kindla koostisega katalüsaatorit. See rõhutas vajadust nanotasandil tehtava täppistöö järele, kus lahendused kohandatakse spetsiifiliselt konkreetse saasteaine jaoks.
Näiteks osutusid vask(I)oksiidi rikkad proovid kõige tõhusamaks neutraalpunase ja malahhiitrohelise värvainete lagundamisel, saavutades vastavalt 82-protsendilise ja 94-protsendilise tõhususe. Metüleensinise värvaine puhul oli aga vaja teistsugust retsepti – parima tulemuse andis vasknitriidi (Cu3N) rikas osakeste segu, mis lagundas kuue tunniga 96 protsenti värvainest.
Teistest keerulisemaks pähkliks osutus neutraalpunane värv. Nimelt selgus, et päikesevalgus ise muutis värvaine keemilist olemust. Protsessi käigus muundus osa värvaine algsest ioonsest vormist selle neutraalsesse vormi. See on oluline, sest neutraalne vorm lahustub vees kehvemini ja on keemiliselt passiivsem, mistõttu on seda ka raskem lagundada.
Sisuliselt maskeeris värvaine end protsessi käigus ümber, muutes end katalüsaatori jaoks raskemini rünnatavaks. Tähelepanek tõi välja, et reaalsete saasteainetega tegelemisel mõista mitte ainult katalüsaatori, vaid ka lagundatava aine enda keemiat ja käitumist eri tingimustes
Praktiline lahendus korduskasutuseks
Üks suuremaid väljakutseid nanoosakeste kasutamisel veepuhastuses on praegu nende eraldamine veest pärast protsessi lõppu. Pulbrilise katalüsaatori veest kättesaamiseks kasutatav tsentrifuugimine või filtreerimine on tülikas ja sellega kaasneb materjalikadu.
Oma doktoritöös lahendas Edison Patricio Paredes Carranza probleemi, kattes nanoosakesed õhukese kihina klaasplaatidele ja kasutades selleks lihtsat vurrkatmise (ingl spin-coating) meetodit. Taolised plaadid on veest kergesti eemaldatavad ja korduskasutatavad.
Kuigi plaatidele kantud osakeste tõhusus oli veidi madalam kui vees vabalt hõljuvatel osakestel, lagundasid need ühendeid siiski võrdlemisi tõhusalt. Näiteks parimad kilekatalüsaatorid lagundasid 91 protsenti malahhiitrohelisest ja 79 protsenti neutraalpunasest värvist. See ilmestas, et meetod pakub head tasakaalu efektiivsuse ja praktilise kasutatavuse vahel.
Carranza sõnul näitavad töö tulemused, et vasel põhinevate fotokatalüsaatorite valmistamiseks on juba olemas lihtne ja kohandatav meetod. See võiks avada tee odavate ja tõhusate materjalide arendamiseks tööstusliku reovee puhastamiseks.
Tutvu Carranza doktoritööga lähemalt Eesti Maaülikooli digikogus. Värsket doktorit juhendasid rofessorid Protima Rauwel Eesti Lennuakadeemiast ja Erwan Yann Rauwel Eesti Maaülikoolist, oponentideks olid professor Vambola Kisand Tartu Ülkoolist ja Corrado Di Natale Rooma Tor Vergata Ülikoolist.