Lepsze katalizatory usuną z wody kancerogenne związki chloru

W 2008 r. we wsi Srebrna Góra na Dolnym Śląsku w wodzie wodociągowej wykryto trichloroetylen, związek kancerogenny sprzyjający rozwojowi m.in. białaczki i chłoniaka. Źródłem zanieczyszczeń okazała się fabryka, która 20 lat wcześniej zajmowała się produkcją farb i rozpuszczalników. Tylko w Polsce do podobnych skażeń poprzemysłowymi związkami chloru dochodzi nawet kilka razy w roku.

Jedną z metod zapobiegania takim zagrożeniom, lub szybkiego niwelowania ich skutków, może być użycie katalizatorów, opracowanych przez grupy naukowe z Instytutu Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN) w Warszawie, Uniwersytetu Jagiellońskiego (UJ) w Krakowie i Uniwersytetu Jana Kochanowskiego (UJK) w Kielcach.

Nowe katalizatory, tańsze i efektywniejsze od dotychczas stosowanych, umożliwią szersze wykorzystanie reakcji wodoroodchlorowania do skutecznego oczyszczania wody ze związków organicznych zawierających chlor - czytamy w informacji IChF PAN, przesłanej w czwartek PAP.

Trichloroetylen, bezbarwna ciecz, to substancja do dziś często używana w przemyśle, m.in. jako rozpuszczalnik tłuszczów. Gdy dostanie się do zbiornika wodnego - nie rozpuszcza się, lecz opada na dno, gdzie może zalegać wiele lat. Jeśli zbiornik będzie w tym czasie eksploatowany jako ujęcie wody pitnej, w którymś momencie może dojść do zaburzenia równowagi między cieczami i zmieszania złogów trichloroetylenu z wodą czerpaną przez wodociągi. Innym źródłem zanieczyszczeń trichloroetylenem może być atmosfera, związek ten bowiem paruje i przenosi się na duże odległości. W przypadku Europy źródłem zagrożenia jest m.in. przemysł Chin.

"Trichloroetylen może trafić do naszych organizmów przy okazji spożywania pokarmów, podczas kąpieli, a nawet poprzez inhalowanie" - mówi dr Anna Śrębowata (IChF PAN). Jak dodaje, w niewielkich ilościach związek ten wywołuje bóle brzucha i wymioty. Jednak jeśli jego stężenie w wodzie przekracza normy przez dłuższy czas, może dojść do uszkodzeń wątroby, serca i mózgu, a także do rozwoju nowotworów, zwłaszcza białaczki, chłoniaka i raka pęcherza moczowego. "Metody szybkiego i taniego usuwania trichloroetylenu z wody mają więc istotne znaczenie społeczne" - mówi.

Mówiąc o szczegółach badań doktorantka Izabela I. Kamińska (IChF PAN) tłumaczy, że organiczne związki chloru można usuwać z wody za pomocą reakcji znanej jako wodoroodchlorowanie. "Stosuje się w niej niewielkie ilości wodoru oraz odpowiednio dobrany katalizator, zwykle palladowy. Dochodzi wówczas do reakcji, w wyniku której związki chloroorganiczne zawarte w wodzie przekształcają się w substancje nietoksyczne – węglowodory nasycone i nienasycone. W przypadku reakcji z trichloroetylenem są to etan i etylen" - opowiada.

Pallad jest pierwiastkiem bardzo drogim, dlatego w katalizatorach palladowych istotne jest równomierne rozmieszczenie nanocząstek tego metalu na powierzchni nośnika. Warunek ten spełnia katalizator zsyntetyzowany na Uniwersytecie Jagiellońskim na bazie zeolitu ZSM5 – porowatego materiału krzemowo-glinowego o uporządkowanej budowie. Po wypłukaniu części atomów krzemu i pokryciu materiału palladem naukowcy otrzymali katalizator. Pomiary w IChF PAN dowiodły, że jest on niezwykle skuteczny w usuwaniu trichloroetylenu z wody. Z praktycznego punktu widzenia ważny jest też fakt, że w nowym katalizatorze pallad od razu występuje w postaci zredukowanej, co oznacza, że jest gotowy do użycia natychmiast po zsyntetyzowaniu.

"Przez wiele lat uważano, że zeolity nie nadają się do reakcji wodoroodchlorowania, ponieważ nie są odporne na działanie mieszaniny reakcyjnej. W naszych doświadczeniach wykazaliśmy jednak, że można na ich bazie stworzyć bardzo wydajny katalizator palladowy. To właśnie wysoka wydajność i szybkość działania powodują, że mimo zastosowania palladu nowy katalizator jest tak interesujący" - mówi dr Śrębowata.

Atrakcyjną alternatywą dla metali szlachetnych okazały się katalizatory niklowe. Taki materiał otrzymano na bazie uporządkowanych struktur węglowych, wytwarzanych przez chemików z UJK. Struktury te charakteryzują się obecnością mezoporów - porów o rozmiarach mierzących po kilkadziesiąt nanometrów. Na tak spreparowane materiały węglowe nanoszono w IChF PAN chlorek niklu, redukowany następnie do fazy metalicznej.

"Wykazaliśmy, że katalizator zawierający nikiel osadzony na mezoporowatym węglu aktywnym skutecznie usuwa trichloroetylen z wody. Sam proces wodoroodchlorowania zachodzi co prawda nieco wolniej niż w przypadku katalizatorów palladowych, ważne są tu jednak czynniki ekonomiczne: nikiel to pierwiastek stosunkowo tani. Na dodatek nasz nowy katalizator działa nawet w niewielkich ilościach i degraduje się bardzo wolno, co utwierdza nas w przekonaniu, że może być znakomitym zamiennikiem dla drogich metali szlachetnych" - zaznacza dr Śrębowata.

PAP - Nauka w Polsce

zan/ agt/