Fotokatalýza pomůže vyčistit odpadní vody od antibiotik

Při odstraňování antibiotik a dalších nebezpečných látek z odpadních vod lze využít účinnou a ekologickou fotokatalýzu. Metodu vyvinul výzkumný tým Centra pro inovace v oboru nanomateriálů a nanotechnologií v Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského Akademie věd ČR pod vedením Jiřího Rathouského. Výsledky jedinečného výzkumu byly publikovány v sérii článků v prestižních vědeckých časopisech nakladatelství Elsevier a Americké chemické společnosti (ACS).

Znečištění vod antibiotiky je závažný problém. Antibiotika v odpadních vodách můžou vést k rozvoji odolných kmenů bakterií, a zároveň snižovat účinnost běžných biologických čistírenských procesů. Tým Jiřího Rathouského z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR (ÚFCH JH AV ČR) zjistil, že odstraňování nežádoucích látek z vody pomocí fotokatalýzy je velmi účinná, a přitom ekologicky šetrná metoda.

ÚFCH JH AV ČR: Tým Centra pro inovace v oboru nanomateriálů a nanotechnologií v Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR

Překonání překážek praktického využití

Přestože fotokatalyzátory jsou známy již od 80. let minulého století, jejich praktickému využití brání řada překážek. Tým Jiřího Rathouského proto během výzkumu komplexně posoudil fotokatalyzátory ze všech hledisek. Výzkumníci systematicky testovali různé druhy znečištění a vytvořili soubor poznatků, podle nichž lze určit vhodný typ fotokatalyzátoru pro konkrétní typ znečištěné vody, což umožňuje předpovědět účinnost procesu v reálných podmínkách.

„Ukázalo se, že fotokatalýza je především vhodná pro nižší koncentrace látek, které mají velký biologický účinek i při nízké koncentraci a které se obtížně odstraňují jinými metodami, což jsou například antibiotika či endokrinní disruptory neboli hormonálně aktivní látky," popisuje vedoucí týmu Jiří Rathouský z ÚFCH JH AV ČR.

Z laboratoře k praktickému využití

„Tímto výzkumem se snažíme vytvořit most, který překoná propast mezi laboratorním bádáním a praktickým využitím," říká členka týmu Lenka Belháčová. Vědci se během výzkumu zaměřili také na toxicitu procesu. Potvrdili, že fotokatalyzátory nejsou toxické, do vody se z nich neuvolňují žádné škodlivé látky a ani produkty vznikající při rozkladu škodlivých látek nejsou nebezpečné.

V současné době hledají partnery pro praktické využití technologie. První jednání s krajským úřadem v severních Čechách již probíhají. Výzkum má také velký potenciál zejména v jižních zemích s intenzivnějším slunečním zářením, jak potvrzuje i spoluautorka výzkumu doktorandka Bukola Lois Ojobe z Nigérie, která plánuje, že poznatky využije ve své domovské zemi.

ÚFCH JH AV ČR: Přístroj HPLC Shimadzu Nexera LC-40 s hmotnostním detektorem Shimadzu LCMS-2050, který se využívá k detekci antibiotik a jejich degradačních produktů v kontaminovaných vodách.

Shimadzu LCMS-2050

• Kompaktní a plně integrovatelný design – stejná velikost jako LC moduly, ideální pro prostorově úsporné sestavy.
• Vysoká rychlost a citlivost – skenování až 15 000 u/s, rychlé přepínání polarity, vhodné i pro UHPLC.
• Duální ionizace ESI/APCI – umožňuje detekci široké škály látek v jedné analýze bez výměny zdroje.
• Chytrá automatizace (Mass‑it, Performance Concierge) – inteligentní sledování kvality dat, kalibrace a interpretace píků.
• Úsporný provoz a snadná údržba – režim ECO s nižší spotřebou energie a rychlá beznástrojová výměna komponent.

Přehled zajímavých aplikací Shimadzu s využitím přístroje LCMS-2050 z knihovny LabRulezLCMS

• Qualitative Analysis of Synthetic DNA Using a Single Quadrupole Mass Spectrometer
• Oligonucleotide Characterization for Quality Control on the Shimadzu Single Quad Mass Spectrometer LCMS-2050
• Using a Highly Sensitive and Selective Single-Quad LCMS-2050 for Cleaning Validation
• Simultaneous Analysis of CHO Cell Culture Supernatant Components Using a Single Quadrupole Mass Spectrometer
• Simple Analysis of Impurities in Oligonucleotide Therapeutics Using a Single Quadrupole Mass Spectrometer
• Using a Highly Sensitive and Selective Single-Quad LCMS-2050 for Cleaning Validation
• Using a Single Quadrupole Mass Spectrometer to Profile Plant-Derived Oligosaccharides and Polysaccharides
• Using a Single Quadrupole Mass Spectrometer to Check Peptide Synthesis and Analyze Impurities
• Analysis of Impurities in Montelukast Using Single Quadrupole Mass Spectrometer
• Quantitative Analysis of Mycophenolic Acid and Metabolites in Serum Using a Single Quadrupole Mass Spectrometer

Fotokatalýza čistí také vzduch

Nejedná se o první úspěšnou praktickou aplikaci fotokatalýzy týmu Centra pro inovace v oboru nanomateriálů a nanotechnologií. Před několika lety přišli badatelé s fotokatalytickým nátěrem, který umí velmi účinně a dlouhodobě čistit ovzduší od jedovatých látek. Praktická měření se dělala v Legerově ulici v Praze, kde denně projedou desetitisíce aut. Z výsledků měření vyplynulo, že fotokatalytická technologie dokáže z ovzduší při dotyku s fotokatalytickými fasádami odstraňovat až 50 % oxidů dusíku a ozonu.

Projekt získal podporu z OP JAK

Uvedeným výzkumem se zabývali vědci v projektu AMULET (Advanced MUltiscaLe materials for key Enabling Technologies), který získal finanční podporu z Operačního programu Jan Amos Komenský Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy a je spolufinancován z fondů Evropské unie. Projekt vyvíjí progresivní, tzv. multiškálové materiály s rozsáhlým aplikačním potenciálem – například v elektrotechnice, lékařství či environmentálních technologiích.

Fotokatalýza

Fotokatalýza je proces chemického rozkladu látek, který probíhá za přítomnosti fotokatalyzátoru a světelného záření. Principem je generace nosičů náboje v polovodičovém materiálu po absorpci fotonů světla. Když má světlo dostatečnou energii, dokáže v polovodičích vytvořit dvojici kladných a záporných nábojů, které v kontaktu s okolím produkují reaktivní částice. Tyto částice následně rozkládají organické látky na jednodušší molekuly, a nakonec až na oxid uhličitý, vodu a minerální kyseliny. Během procesu se spotřebovává pouze světlo, zatímco samotný fotokatalyzátor zůstává nezměněn a může se opakovaně použít.

ÚFCH JH AV ČR: Snímek fotokatalyzátoru z transmisního elektronového mikroskopu s vyoským rozlišením (HRTEM)

Odkazy na vědecké články:

• Electrophoretically deposited TiO2 layers for efficient photocatalytic degradation of antibiotic mixture in greywater
• Airbrush-sprayed TiO2 layers for the photocatalytic degradation of endocrine disruptors: Performance, stability and applicability
• Efficient Degradation of Recalcitrant Pharmaceuticals in Greywater Using Treatment of MBR and Immobilized TiO2 Porous Layers

Kontakty:

• Ing. Jiří Rathouský, CSc.
  • [email protected]
• Ing. Lenka Belháčová, Ph.D.
  • [email protected]
• Mgr. Eliška Mikysková, Ph.D.
  • [email protected]