ХЬЮСТОН, 23 февраля 2005 г. - Новое исследование Центра биологических и экологических нанотехнологий при Университете Райса показало, что наночастицы золота и палладия являются наиболее эффективными катализаторами, обнаруженными для восстановления одного из самых распространенных и проблемных подземных вод в стране. загрязняющие вещества, трихлорэтилен или трихлорэтилен.
Исследование, проведенное инженерами Райс и Технологического института Джорджии, будет опубликовано в следующем месяце в журнале Environmental Science and Technology, издаваемом Американским химическим обществом.
«Преимущества восстановления ТВК на основе палладия хорошо задокументированы, но также и стоимость», - сказал ведущий исследователь Майкл Вонг, доцент кафедры химического машиностроения и химии в Райс.«Используя нанотехнологии, мы смогли максимально увеличить количество атомов палладия, которые вступают в контакт с молекулами ТХЭ, и повысить эффективность на несколько порядков по сравнению с объемными палладиевыми катализаторами».
ТХЭ, который обычно используется в качестве растворителя для обезжиривания металлов и электронных компонентов, является одним из наиболее распространенных и ядовитых органических загрязнителей подземных вод США. Он обнаружен на 60 процентах загрязненных свалок в списке национальных приоритетов Суперфонда и считается одним из самых опасных химических веществ на этих участках из-за его распространенности и токсичности. Воздействие ТВК на человека связано с повреждением печени, нарушением беременности и раком.
Затраты на очистку ТВК по всей стране оцениваются в миллиарды долларов. Одно только министерство обороны оценивает затраты на приведение 1400 объектов, загрязненных ТВК, в соответствие с требованиями Агентства по охране окружающей среды более чем в 5 миллиардов долларов.
Типичный подход к избавлению от ТВК включает откачку загрязненных грунтовых вод на поверхность, где они могут подвергаться воздействию химических катализаторов или микроорганизмов, расщепляющих ТВК на менее токсичные или нетоксичные компоненты. В целом, химический катализ обеспечивает более быстрое время реакции, чем схемы биоремедиации, но также имеет тенденцию быть более дорогим.
Одним из основных преимуществ использования палладиевых катализаторов для разложения ТХЭ является то, что палладий непосредственно превращает ТХЭ в нетоксичный этан. Напротив, расщепление ТХЭ с помощью более распространенных катализаторов, таких как железо, приводит к образованию промежуточных химических веществ, таких как винилхлорид, которые более токсичны, чем ТХЭ.
В экспериментах CBEN Вонг и его сотрудники сравнили эффективность четырех разновидностей палладиевых катализаторов: объемного палладия, порошка палладия на основе носителя из оксида алюминия, наночастиц чистого палладия и гибридной наночастицы, разработанной Вонгом и состоящей из золота. наночастица, покрытая тонким слоем атомов палладия.
По мере того, как металлические частицы становятся все меньше, более высокий процент атомов в частице находится на поверхности частицы, вместо того, чтобы быть запертым внутри металла, где они не могут взаимодействовать с другими химическими веществами. Например, в массивном палладии менее 4% атомов палладия находились на поверхности частицы. Наночастицы чистого палладия содержали 24 процента металла на поверхности. В наночастицах золото-палладий 100 процентов атомов палладия доступны для реакции.
«Мы задокументировали эффективность этих катализаторов в разрушении TCE, и следующим шагом является разработка системы, которая позволит нам добраться до загрязненных грунтовых вод», - сказал Джо Хьюз, профессор гражданского и экологического строительства. в Технологическом институте Джорджии и соруководителем программ экологических исследований CBEN. «Масштаб загрязнения ТВК огромен, поэтому любая новая схема восстановления ТВК должна очень быстро очищать большие объемы воды всего за несколько копеек».
Хьюз, Вонг и их сотрудники надеются разработать устройство, которое будет включать цилиндрический насос, содержащий каталитическую мембрану из наночастиц золота и палладия. Устройство будет размещено в существующих колодцах, где оно будет непрерывно перекачивать воду, разбивая ТХЭ на нетоксичные компоненты.
Стоимость является основным препятствием для очистки подземных вод, загрязненных ТВК. Команда CBEN надеется снизить затраты за счет использования каждой унции палладия с максимальной эффективностью, а также за счет устранения затрат на бурение новых скважин, затрат на строительство сооружений по обработке поверхности и энергозатрат на подъем воды на поверхность.
Нанотехнология имеет решающее значение для схемы, потому что только наноразмерный катализатор будет достаточно эффективным, чтобы обеспечить пропускную способность, необходимую для эффективности всего подхода. Испытания в лаборатории Вонга показали, что золото-палладиевые нанокатализаторы расщепляют ТХЭ примерно в 100 раз быстрее, чем объемные палладиевые катализаторы.
Исследования CBEN финансируются Национальным научным фондом.