Według danych literaturowych, obecnie w przemyśle stosuje się ponad 10 tys. różnego rodzaju barwników. Ich łączna produkcja wynosi – bagatela – około 700 tys. ton rocznie. Barwniki stosowane są przede wszystkim w przemyśle tekstylnym, ale używa się ich także przy produkcji wyrobów papierniczych i leków.
W zależności od technik barwienia tkanin, odpady mogą stanowić od kilku do nawet 60 proc. wyjściowej masy barwników. Szacuje się, że w skali roku do ścieków poprodukcyjnych trafia nawet 300 tys. ton tych barwnych substancji. Na tym, niestety, nie koniec. W procesie barwienia zużywa się także bardzo duże ilości wody. To, w związku ze zmianami klimatycznymi i suszą, może powodować poważne zagrożenie dla środowiska. Dlatego tak istotne wydaje się poszukiwanie nowych, efektywnych metod oczyszczania ścieków. Badania w tym zakresie prowadzi dr Łukasz Wolski z Zakładu Katalizy Heterogenicznej na Wydziale Chemii UAM.
Zagrożenia związane z obecnością barwników w wodzie
Jesteśmy przyzwyczajeni do tego, że woda, którą pijemy, jest bezbarwna, tymczasem nawet bardzo małe stężenie barwnika może sprawiać, że zacznie ona przybierać intensywną barwę. Trudno byłoby nam zaakceptować fakt, że woda w jeziorze, nad którym wypoczywamy zabarwiona jest – na przykład – na intensywnie różowy kolor. Ale nie tylko względy estetyczne są tu istotne. Barwnik zawarty w wodzie absorbuje światło, w związku z czym nie dociera ono do głębszych pokładów wody, co znowu stanowić może poważne zagrożenie dla życia roślin i zwierząt. Nie ma światła – nie ma fotosyntezy. Jeśli zmniejszy się efektywność fotosyntezy, to w wodzie powstanie mniej tlenu, co znowu sprawi, że zmienią się warunki życia organizmów zamieszkujących wodę. W konsekwencji może to prowadzić do ich wyginięcia.
Nie sposób też pominąć faktu, że znaczna część barwników i produktów ich rozkładu jest toksyczna. Jeśli znajdą się w wodzie, mogą powodować alergie czy wysypki – co należy do najlżejszych powikłań, bowiem barwniki, a właściwie znaczna ich część, wykazują również działanie kancerogenne i mutagenne – co sprawia, że są one niebezpieczne dla życia i zdrowia. Ponadto, przy produkcji barwników wykorzystuje się substancje syntetyczne, które naturalnie nie występują w wodzie. Są one trudno biodegradowalne. Oznacza to, że jeśli dostaną się do środowiska, w naturalny sposób bardzo trudno będzie je usunąć. Okres potrzebny do ich naturalnego rozkładu wynosić może nawet kilkaset lat. Natura, niestety, nie jest w stanie sama sobie z tym poradzić.
Jak usunąć barwniki
Dobór metod oczyszczania wody z zanieczyszczeń barwnikowych w dużej mierze zależy od tego, z jakim barwnikiem mamy do czynienia, jakie jest jego stężenie i jakie jeszcze inne substancje stosowane w procesie barwienia znajdują się w ściekach poprodukcyjnych. Metod usuwania barwników jest wiele, a każda z nich ma swoje wady i zalety. Niestety, nie ma metody idealnej, która byłaby skuteczna w przypadku wszystkich barwników. Przykładowo, w metodach adsorpcyjnych problemem może być zużyty adsorbent, czyli np. węgiel aktywny. Po użyciu wymaga on regeneracji. Jednakże nie zawsze taką regenerację można lub opłaci się przeprowadzać, w związku z czym może dochodzić do powstawania odpadów wtórnych.
Poza wspomnianymi wcześniej metodami, które polegają na oddzieleniu barwnika od zanieczyszczonej wody, obiecujące są metody, w których dąży się do mineralizacji, a zatem całkowitego utlenienia zanieczyszczeń. Jedną z nich są metody katalityczne, w których wykorzystuje się katalizatory do aktywowania przyjaznych środowisku utleniaczy, takich jak nadtlenek wodoru, w kierunku tworzenia silnie utleniających indywiduów, takich jak np. rodniki hydroksylowe, które cechują się wysoką efektywnością w usuwaniu różnego rodzaju związków organicznych zawartych w wodach. Metody te są łatwe do zastosowania i przyjazne dla środowiska, ponieważ jedynym produktem ubocznym, powstającym podczas katalitycznego aktywowania nadtlenku wodoru, jest woda. Niestety, metody katalityczne mają też swoje ograniczenia – katalizator po spełnieniu swej funkcji musi zostać oddzielony od oczyszczonej wody, aby mógł być użyty w kolejnym procesie.
W czym pomaga światło
Niektóre ciała stałe, zwane fotokatalizatorami, umożliwiają wykorzystanie energii zawartej w świetle do usuwania zanieczyszczeń barwnikowych. Związane jest to z unikalną zdolnością tych materiałów do wytwarzania różnych silnie utleniających indywiduów, takich jak wspomniane wcześniej rodniki hydroksylowe, podczas ich ekspozycji na światło. Oznacza to, że do usunięcia zanieczyszczenia z wody potrzebujemy jedynie fotokatalizatora i źródła światła. Pierwsze badania w tym zakresie dotyczyły ciał stałych, które były w stanie usuwać zanieczyszczenia podczas naświetlania promieniowaniem ultrafioletowym, jednakże obecnie coraz więcej uwagi poświęca się poszukiwaniu fotokatalizatorów, które mogłyby działać w zakresie światła widzialnego. To jeszcze lepsze rozwiązanie, ponieważ sam proces moglibyśmy prowadzić na wolnym powietrzu z użyciem światła słonecznego.
W ten ogólnoświatowy trend poszukiwania nowych, przyjaznych środowisku i efektywnych metod oczyszczania wody poprzez mineralizację zanieczyszczeń, wpisują się badania wykonywane przez dra Łukasza Wolskiego w ramach projektu SONATINA, finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki. – Moje badania – mówi dr Wolski – dotyczą procesów hybrydowych, czyli takich, których istotą jest łączenie wcześniej wspomnianych procesów fotokatalitycznych z procesami katalitycznego utleniania nadtlenkiem wodoru. W przypadku procesów hybrydowych zachodzących w obecności niektórych ciał stałych – katalizatorów, połączenie tych dwóch różnych metod katalitycznego utleniania może przyczynić się do uzyskania znacznie większej efektywności usuwania zanieczyszczeń niż w przypadku stosowania tych metod osobno. W procesach tych światło może bowiem działać jako czynnik zwiększający efektywność katalitycznego aktywowania nadtlenku wodoru w kierunku tworzenia silnie utleniających indywiduów. Celem moich badań jest właśnie poszukiwanie nowych katalizatorów, które będą umożliwiały osiągnięcie tego efektu zwiększenia aktywności w procesach hybrydowych, a także poznanie mechanizmu działania tych katalizatorów.
Znaczącą nowością tych badań jest stosowanie katalizatorów, które są mieszaniną składników o całkowicie odmiennych właściwościach i różnym sposobie oddziaływania z nadtlenkiem wodoru. Połączenie tak odmiennych materiałów często prowadzi do otrzymania katalizatorów o nowych, czasem zaskakujących właściwościach, które mogą przyczynić się do zwiększenia ich aktywności w procesach oczyszczania wód. Przykładem tego są ostatnio opracowane przez dr. Wolskiego katalizatory, w których połączone zostały dwa różne tlenki metali o całkowicie odmiennych właściwościach, w rezultacie czego otrzymano katalizator, który ze względu na silne oddziaływanie pomiędzy poszczególnymi składnikami wykazywał dużo większą aktywność niż ta, obserwowana przy użyciu pojedynczych tlenków metali.
zob. też
