Инженеры подразделения «Нанотехнологии для очистки воды» (NEWT) в Университете Райса, США, предложили катализатор, очищающий воду от токсичных нитратов, превращая их в воздух и воду.

Подпись к изображению: В Университете Райса получен катализатор в виде наночастиц из индия и палладия, который очищает питьевую воду от нитратов, превращая токсичные молекулы в воду и воздух 

«Нитраты в основном вымываются из сельскохозяйственных земель, и это влияет на фермерские сообщества во всём мире, — говорит инженер-химик Майкл Вонг, руководитель исследования. — Нитраты представляют проблему как для окружающей среды, так и для здоровья, ввиду их токсичности. Существуют ионно-обменные фильтры, способные удалять нитраты из воды, но они требуют очистки раз в несколько месяцев, при этом используемая для промывки вода просто возвращает нитраты в окружающую среду в концентрированном виде».

Лаборатория Вонга специализируется на разработке катализаторов, состоящих из металлических наночастиц, ускоряющих химические реакции. В 2013 году его группа показала, что микроскопические сферические частицы золота, с вкраплениями палладия, способны разрушать нитриты — ещё более токсичные соединения, родственные нитратам.

«Молекулы нитратов содержат один атом азота и три атома кислорода, — объясняет Вонг. — Теряя один атом кислорода нитраты превращаются в нитриты, которые ещё более токсичны, и на этом нельзя останавливаться. Более того, именно нитраты представляют основную проблему».

«Наилучший способ удаления нитратов — каталитический процесс, в котором нитраты полностью распадаются на азот и кислород, или, в нашем случае — на азот и воду, так как мы добавляем немного водорода. Азот составляет более 3/4 земной атмосферы, и значит мы превращаем нитраты в воздух и воду».

Нитраты токсичны для младенцев и беременных, и могут вызывать рак. Загрязнение нитратами распространено в сельскохозяйственных районах, особенно в Калифорнийской долине и «кукурузном поясе» США, где интенсивно используются удобрения; при этом происходит рост уровня загрязнённости вследствие изменения методов землепользования.

Нитраты и нитриты контролируются Агентством по защите окружающей среды, которое устанавливает нормы содержания загрязнителей в питьевой воде. В местностях, где загрязнены и колодцы, и водоёмы, обычно питьевую воду обрабатывают ионообменными смолами, которые захватывают нитраты и нитриты, но не уничтожают их.

Предыдущие работы группы Вонга показали, что наночастицы из золота и палладия не эффективны в качестве катализатора для разложения нитратов. Соавтор исследования Ким Хек говорит, что поиск по научной литературе обнаружил другую возможность: индий и палладий.

«Мы усовершенствовали метод и обнаружили, что наиболее активный катализатор получается при покрытии индием 40 процентов поверхности шарика из палладия. Результат оказался на 50 процентов эффективнее других методов, обнаруженных нами в публикациях. На этом можно было бы остановиться, но нам хотелось понять, почему это работало лучше, для чего пришлось исследовать химическую составляющую реакции».

В сотрудничестве с коллегами Джеффри Миллером из Университета Пэдью и Ларсом Грабоу из Университета Хьюстона, исследователи обнаружили, что индий ускоряет распад нитратов, тогда как палладий, по-видимому, предотвращает необратимое окисление индия.

«Индий склонен к окислению. Опыты показали, что при воздействии на катализатор растворов, содержащих нитраты, индий окислялся. Но когда мы добавили насыщенную водородом воду, палладий помог кислороду соединиться с водородом, образуя воду. Индий остался неокисленным и способным к дальнейшему разрушению нитратов».

Вонг заявил о желании его команды работать с партнёрами в промышленности с целью довести эту технологию очистки воды до коммерческого использования.

«Здесь вступает в дело подразделение NEWT. Его задача — развить фундаментальные научные результаты до приложений в реальном мире. В данном случае мы имеет разработанный химический процесс, и следующий шаг — создать действующую потоковую систему, опытный образец, подтверждающий работоспособность концепции в промышленном масштабе».

NEWT — это инженерный исследовательский центр, работающий в сфере очистки воды, объединяющий несколько учреждений, и базирующийся в Университете Райса.