FKKT

Uvod

Ohranitev vodnih virov v Evropi predstavlja enega od temeljev varstva okolja. Med številnimi obstojnimi onesnaževali, ki predstavljajo veliko tveganje za evropsko vodno okolje, predstavlja prisotnost per- in polifluoroalkilnih snovi (PFAS, Slika 1), sintetičnih organskih molekul, ki se uporabljajo za proizvodnjo različnih potrošniških in industrijskih izdelkov, eno od najpomembnejših prednostnih nalog na področju kakovosti in čiščenja vode. PFAS predstavljajo poseben izziv za čistilne naprave, ki temeljijo na primarnem in sekundarnem čiščenju, zato je njihova nadgradnja z naprednimi metodami čiščenja zelo pomembna. Trenutni poudarek je na naprednih fizikalnih ali oksidacijskih/redukcijskih postopkih, pri čemer se upoštevajo tudi zahteve sekundarnega čiščenja in energetska učinkovitost. Fotokatalitska razgradnja z mehanizmom redukcije z uporabo sončne svetlobe prav tako predstavlja obetavno metodo za odstranjevanje PFAS.

Glavni cilj projekta z naslovom "Fotokatalitska razgradnja perfluoriranih snovi v vodi s sončno svetlobo" (akronim SoAPperF) je razvoj fotokatalitskih materialov za reduktivno razgradnjo PFAS z izkoriščanjem in izboljšanjem lastnosti namenskih polprevodniških nanomaterialov (ang. nano-sized semiconducting materials, NSSM), kot so manjša rekombinacija nosilcev naboja in učinkovita aktivacija pri sončnem obsevanju. NSSM bodo zasnovani z nanašanjem žlahtne kovine (Ag) na materiale, aktivne pri sončnem obsevanju (BiVO₄, g-C₃N₄, N-TiO₂, Fe-TiO₂, TiO₂-WO₃), ki bodo sklopljeni s kokatalizatorji na osnovi ogljika (reduciran grafen oksid, ogljikove kvantne pike). Karakterizacija NSSM vključuje temeljito analizo njihove strukture, površine in sestave, nanoorganizacije in morfologije, kristaliničnosti in polprevodniških lastnosti, medtem ko bodo optoelektronske lastnosti napovedane z računalniškimi kvantno-kemijskimi izračuni, ki bodo omogočali prilagajanje lastnosti NSSM. Reduktivna razgradnja PFAS pod sončno svetlobo bo potekala v šaržnih in pretočnih reaktorjih z imobiliziranim NSSM-jem. Določeni bodo mehanizmi fotokatalitske razgradnje in njihova povezava s spremembami parametrov kakovosti vode.

PFOS

PFOA

Faze projekta

Projekt je razdeljen na tri glavne dele, ki ustrezajo zgoraj navedenim raziskovalnim ciljem (O). Metodologija, pristop in delo so podrobneje opisani v nadaljevanju, medtem ko so opisi dejavnosti skupaj s časovnim razporedom, mejniki (M), rezultati (D) in odgovornimi osebami (RP) podani v nadaljevanju pod ustreznimi delovnimi paketi (DP):

1. Načrtovanje in sinteza NSSM (DP1)
2. Karakterizacija, vrednotenje in prilagajanje NSSM (DP2)
3. Razgradnja PFAS z uporabo NSSM pod sončnim obsevanjem (DP3)

Poleg raziskovalnih ciljev je cilj 4 (O4) čim večji učinek in vpliv projekta (DP4). Slika 2 prikazuje časovnico projekta, skupaj z glavnimi delovnimi paketi.

Cilji

Glavni cilj projekta SoAPperF je razviti fotokatalitske materiale, ki so učinkoviti pri reduktivni razgradnji PFAS. Pri tem bodo izkoriščene in izboljšane lastnosti prilagojenih polprevodniških materialov nano velikosti (nano-sized semiconducting materials NSSM), da se zmanjšajo škodljivi pojavi rekombinacije nosilcev naboja in omogoči njihova učinkovita aktivacija pri sončnem obsevanju za čiščenje vode, ki je onesnažena s PFAS.

Zato je treba hkrati doseči dva podcilja v zvezi z lastnostmi materialov:

(i)  zmanjšanje širine prepovedanega pasu, ki omogoča učinkovito zbiranje sončnega sevanja, in

(ii)  učinkovito ločevanje naboja, ki omogoča redukcijsko razgradnjo PFAS, ki jih ni mogoče učinkovito oksidirati.

Čeprav se pri fotokatalitski obdelavi vode najpogosteje uporablja polprevodniški material titanov dioksid (TiO₂), je zaradi (i) visoke aktivnosti pod UV svetlobo in (ii) večplastnih funkcionalnih lastnosti, kot so kemijska in temperaturna stabilnost, odpornost proti (foto)kemijski razgradnji in privlačne mehanske lastnosti, njegovo učinkovitost pri sončnem obsevanju ovira predvsem aktivacija z valovno dolžino <390 nm, tj. pri obsevanju z UVA. Da bi izkoristili širši del sončnega spektra, so bile uporabljene različne strategije za inženiring strukture in lastnosti TiO₂ (ali podobnih polprevodniških materialov). Te vključujejo spremembe z vključitvijo kovin (Fe, Cu, Co itd.) ali nekovin (N, S, C, P itd.) v kristalno mrežo ali inženiring kompozitnih materialov z drugimi polprevodniki (BiVO₄, g-C₃N₄, SnS₂, MnO₂, Mn₂O₃, CuO itd.) za sinergijsko izkoriščanje prednosti, ki jih ponujajo posamezne sestavine. Poleg prilagajanja širine prepovedanega pasu za povečanje izkoristka sončnega obsevanja, sta pomembna tudi zaviranje rekombinacije e^-/h⁺ in majhne a natančne prilagoditve površinskih lastnosti (npr. aktivna površina in vsebnost defektov). Zaviranje rekombinacije e^-/h⁺ in spodbujanje ločevanja naboja lahko dosežemo tudi z različnimi strategijami; tako da površino polprevodniškega materiala modificiramo z žlahtnimi kovinami (Ag, Pd, Pt, Au itd.) ali z uporabo kompozitov z (i) prevodnimi polimeri, ki tvorijo strukture jedrnih lupin (core-shell), (ii) grafenom podobnimi materiali ((reducirani) grafen oksid, (r)GO), ogljikovimi nanocevkami ali kvantnimi pikami (CN in CQD), pri čemer slednji dve prispevata tudi k povečanju specifične površine [1]. V ta namen bo projektna skupina uporabila kombiniran eksperimentalno-računalniški pristop za prilagoditev lastnosti materialov, ki bodo uporabljeni za razgradnjo PFAS pod simuliranim sončnim obsevanjem. Raziskana bosta dva glavna predstavnika C-8 PFAS: PFOA in PFOS (slika 1).

Viri

[1] Perovic et al., Materials 13 (2020) 1338