Residuen van geneesmiddelen, zoals antibiotica, anticonceptiemiddelen of ontstekingsremmers in afvalwater of in zuiveringsinstallaties, zijn wereldwijd een probleem. Het is moeilijk om ze uit het water te filteren. Het resultaat is dat ze dus in het milieu terecht komen. Onderzoekers onder leiding van Prof. Dr. Angelika Brückner en Dr. Jabor Rabeah van het Leibniz Instituut voor Katalyse in Rostock hebben laten zien hoe met fotokatalysatoren rioolwater van organische vervuiling gezuiverd kan worden.
Volgens Prof. Brückner, divisiemanager bij LIKAT, opent dit inzicht nieuwe wegen voor de ontwikkeling van fotokatalysatoren voor afvalwaterzuivering. Zij en haar collega’s zijn specialisten op het gebied van de zogenaamde in-situ spectroscopie. Dit stelt hen in staat om de functie van een katalysator te volgen tijdens de chemische reactie (in situ) en de moleculaire werkingswijze ervan te documenteren.
Carbonitride in plaats van titaniumoxide
In het algemeen werken fotokatalysatoren zoals titaandioxide het meest effectief met hoogenergetische UV-straling. Het UV-aandeel van het zonlicht is echter slechts vijf tot acht procent. Chinese onderzoekers hebben daarom nieuwe fotokatalysatoren ontwikkeld: carbonitride. Dit wordt geactiveerd in zichtbaar licht. Het wordt geproduceerd door thermische behandeling van melamine. Dat dient ook als uitgangsmateriaal voor kleurrijk serviesgoed van duroplast.
In tests hebben de Chinese wetenschappers al kunnen aantonen dat deze katalysator werkt met verschillende stoffen die bij de afbraak van geneesmiddelen worden geproduceerd en in het afvalwater terechtkomen. Hiervoor wordt de fotokatalysator in poedervorm in water geroerd. De onderzoekers testten zuurstof en ozon als oxidatiemiddelen.
“Ozon bleek buitengewoon effectief”, legt prof. Brückner uit. “Maar zijn activiteit schommelde. Dit leek afhankelijk te zijn van de voorbereidingsomstandigheden van de katalysator.” De reden hiervoor en de optimale omstandigheden voor de voorbereiding van de katalysator werden verder onderzocht bij LIKAT.
Radicalen vangen en identificeren
Hier hebben metingen aangetoond dat een soort van radicalen verantwoordelijk is voor de eigenlijke degradatiereactie. “Dit zijn extreem reactieve moleculen die de schadelijke stoffen in het water onmiddellijk aanvallen en afbreken”, legt Angelika Brückner uit. “Het samenspel van zonlicht, fotokatalysator en ozon bevordert deze vorming van radicalen.” In feite waren de radicalen zo kortstondig dat zelfs de moderne analytische technologie van LIKAT hen in eerste instantie niet kon identificeren.
Het lukte de onderzoekers uiteindelijk door middel van een truc, genaamd Spin-Trap. De radicalen worden gevangen met een neutraal molecuul dat zelf een radicaal wordt. “Maar een die nauwelijks reactief is en daarom lang genoeg leeft om te worden geanalyseerd.” Zo was het mogelijk “de zeer effectieve deeltjes te identificeren als hydroxylradicalen, moleculen bestaande uit een waterstof en een zuurstofatoom”. De hoge effectiviteit van de combinatie van fotokatalysator – zonlicht – ozon in de afvalwaterzuivering kan worden verklaard door de extreem snelle vorming van een enorm aantal reactieve radicalen.
Volgens Angelika Brückner is het resultaat van het onderzoek “een nieuw mechanistisch concept” voor dit soort reacties. De onderzoekers gaan er nu van uit dat de methode met deze achtergrondkennis snel in de praktijk kan worden toegepast.
Foto: Heterogene katalysatoren worden vaak in poedervorm gebruikt. Na de reactie kan het poeder naar de bodem zakken, wat de scheiding van de katalysator sterk vereenvoudigt.
© Thomas Häntzschel / nordlicht, www.fotoagenturnordlicht.de
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
