Загрязнение микропластиком становится серьезной проблемой во всем мире и опасно как для водной флоры и фауны, так и для здоровья человека. В настоящее время существует мало решений этой проблемы, но исследователи в Австралии разработали экологически чистый метод удаления этих загрязнений из источников воды с помощью углеродных нанопружин. По их словам, наноматериалы безвредны для водных микроорганизмов и могут даже использоваться в качестве источника углеводородов для выращивания водорослей, что позволяет повторно использовать эти пластики.

Микропластик представляет собой подгруппу пластмасс и определяется как пластик размером менее 5 мм. Их можно разделить на первичный и вторичный микропластик, и они в основном происходят из повседневных косметических продуктов (отшелушивающих кремов для лица и т.п.) и распада крупных кусков пластика из бытового мусора.

К сожалению, микропластик в настоящее время повсеместно встречается в водных системах, и его трудно переработать или удалить с помощью традиционных методов очистки сточных вод из-за его небольшого размера. Этим микрозагрязнителям требуются десятилетия, чтобы разложиться естественным путем. Еще более тревожно то, что, поскольку они адсорбируют гидрофобные органические загрязнители и примеси тяжелых металлов в воде, они накапливают эти опасные вещества с течением времени и в конечном итоге отравляют морскую жизнь. А при попадании в организм они накапливаются по всей пищевой цепочке, объясняет соруководитель исследования. Шаобин Ван, кто на Университет Кертина в Перте и Университет Аделаиды.

Активные формы кислорода расщепляют органические загрязнители в воде.

Недавно исследователи обнаружили, что активные формы кислорода (АФК) могут расщеплять органические загрязнители в воде. Однако в этих исследованиях АФК были получены с использованием тяжелых токсичных металлов, таких как железо или кобальт, которые приносят свою долю проблем.

Ван и его коллеги теперь нашли способ обойти эту проблему, производя АФК с использованием нанокомпозитов карбида марганца, инкапсулированных в спиральные углеродные нанотрубки, легированные азотом. Они создали эти наноматериалы, используя метод пиролиза в одном сосуде.

Исследователи протестировали свои нанокомпозиты на различных растворах, содержащих пластик, в том числе на растворе, содержащем микропластические шарики из коммерческого очищающего средства для лица. Они обнаружили, что катализаторы из углеродных нанотрубок удаляют значительную часть этих пластиков в растворе всего за восемь часов, оставаясь при этом стабильными. Катализаторы делают это путем расщепления длинноцепочечных молекул микропластика на субполимеры с более короткими углеродными цепями. Эти субполимеры затем подвергаются атаке АФК и распадаются на короткие цепи с более низкой молекулярной массой. Эти короткие цепочки безвредны и растворяются в воде.

Отличная механическая прочность и сверхвысокая химическая стабильность.

«Самое интересное в конструкции нашего катализатора то, что мы можем контролировать морфологию и структуру наноуглеродного материала с помощью температуры пиролиза», — объясняет соруководитель исследования. Сяогуан Дуань, который находится в Аделаиде. «Таким образом, мы можем превратить их в углеродные кластеры, длинные/короткие углеродные нанотрубки и пружинистые структуры. Наноспружины представляют особый интерес, поскольку обладают большой механической прочностью и сверхвысокой химической стабильностью в окислительных условиях, существующих при деградации микропластика.

«Их спиральная форма также делает их стабильными и увеличивает площадь поверхности катализатора».

Тот факт, что они содержат марганец, также делает их магнитными, а это означает, что их можно легко отделить и переработать из потоков сточных вод после завершения работы, чтобы их можно было использовать снова и снова, добавляет он. А поскольку марганец глубоко внедрен в нанопружины, он не может легко вымываться, а это значит, что он не вызывает вторичного загрязнения.

Промежуточные продукты разложения нетоксичны.

Чтобы убедиться, что промежуточные продукты, образующиеся в результате разложения микропластика, не загрязняют больше, чем микропластик, для обработки которого они предназначены, Ван, Дуан и коллеги проанализировали, как зеленые водоросли (Хлорелла обыкновенная) попали в реакционный фильтрат. Они обнаружили, что промежуточные соединения мало влияют на водоросли.

Исследователей ждал еще один приятный сюрприз: после шести и восьми часов пребывания в реакторе они заметили, что оптическая плотность водорослей увеличилась на 8% и 12% соответственно по сравнению с контролем в чистой воде. По мнению команды, это означает, что легкие молекулярные побочные продукты разложения микропластика могут фактически использоваться в качестве источников углеводородов для выращивания водорослей.

На пути к новой технологии контроля и повторного использования пластика?

Органические промежуточные продукты микропластика могут перевариваться микроорганизмами и превращаться в другие ценные продукты (такие как сахара, белки и биотопливо), возвращая таким образом углерод природе, говорит Дуан. В качестве альтернативы, эти продукты могут быть повторно использованы нами, людьми, экологически чистым и устойчивым способом. «Это может предоставить нам новую возможность объединить каталитическое окисление с биотехнологией для контроля и повторного использования пластмасс».

Теперь исследователи планируют разработать более совершенные стратегии по разложению микропластика различного состава и структуры, который они будут собирать из рек и океанов, а также из отложений. «Мы также будем стремиться улучшить производительность наших наноуглеродных катализаторов и условий реакции, в которых они работают», — говорит Дуан. Мир физики. «Мы будем систематически исследовать пути разложения микропластика свободными радикалами и дополнительно оценивать токсичность органических промежуточных продуктов на каждом этапе процесса разложения».

Исследование подробно описано в Вопрос 10.1016/j.matt.2019.06.004.