Nanotehnologijom protiv smoga

Glavni „krivci“ za zagađenje vazduha su ugljen-dioksid, oksidi azota i isparljiva organska jedinjenja nastala iz izduvnih gasova vozila i nekih industrijskih procesa. Kao jedno od zagađenja – smog, otrovna smeša dima (SMoke) i magle (fOG), nastaje oksidacijom azot-oksida. Tako nastale otrovne materije izazivaju promene u okruženju – lišće biljaka brže žuti, boje na predmetima blede, predmeti od gume gube elastičnost... Vrlo su štetne i po zdravlje ljudi – izazivaju suženje disajnih puteva, iritaciju očiju i otežano disanje.

Fotohemijski smog

Fotohemijski smog nastaje kada primarne zagađujuće supstance u interakciji sa sunčevom svetlošću daju smešu opasnih hemikalija (sekundarne zagađujuće supstance). Javlja se u toplim mesecima kada je vreme sunčano, pri povećanom nivou ultraljubičastog B (srednjetalasnog) zračenja u nižim slojevima atmosfere. U atmosferi zasićenoj otrovnim izduvnim gasovima iz automobila i drugim isparljivim organskim jedinjenjima kondenzuju se praveći gustu izmaglicu.

Uslovi za nastanak smoga su sunčeva svetlost, temperatura veća od 18 stepeni Celzijusovih i temperaturna inverzija, kao i prisustvo azotnih oksida (NOx) i isparljivih organskih jedinjenja. Azotni oksidi se fotohemijskom reakcijom pod dejstvom UV zračenja razlažu na azot-monoksid (NO) i atomski kiseonik. Pošto je atomski kiseonik veoma reaktivan, on započinje brojne reakcije, među kojima je i stvaranje ozona u troposferi.

Stvaranje ozona je povratna reakcija, pa oslobođeni kiseonik oksiduje nove količine azot-monoksida ponovo u azot-dioksid. Tako se procesi odvijaju u krug. Ako bude sreće (vetar, padavine), opasnost se smanjuje, a i jako UV zračenje razlaže mnoge organske materije kroz spor prirodni proces.

Fotokatalizatori

Podrazumeva se da naučnici neće sve prepustiti sreći, kiši i slučaju već će tragati za načinima da ubrzaju proces pročišćenja vazduha tj. da podstaknu razlaganje štetnih materija uz pomoć fotokatalizatora. To su materije koje, kad su izložene sunčevoj svetlosti (kao izvoru energije), smanjuju količinu azotnih okside i isparenja organskih komponenti oksidišući ih i pretvarajući u inertne (bezopasne) materije. Pritom, ni na koji način ne deluju negativno na okruženje – niti su apsorbovane, niti promenjene usled ovih reakcija.

Fotokatalizatorom se premazuju velike površine (trotoari, ulice i zidovi zgrada), kako bi se u okolnom prostoru neutralizovale otrovne materije sadržane u smogu. Osim smanjenja smoga, te samočisteće površine reflektuju više svetlosti i redukuju sakupljanje toplote. Kao katalizatorski sastojak uglavnom se koristi titanijum-dioksid (TiO-2-), poznat po nazivu titanija, koji je do sada široko primenjivan u bojama (beli pigment), plastici, kozmetici... Njegove fotokatalitičke osobine otkrio je Akira Fujishima 1967, a svoje otkriće je objavio 1972. godine. U njegovu čast proces koji se odvija na površini kristala titanijum-dioksida naziva se Honda-Fujishima efekat. Titanijum-dioksid je metal – oksidni poluprovodnik. Hemijski i biološki je inertan, fotostabilan, istovremeno i fotoaktivan, a pritom jeftin. Energetska razlika između njegove provodne i valentne zone iznosi 3,23 eV, što odgovara energiji fotona UV svetlosti. Kao fotokatalizator već se koristi u Japanu, SAD i nekim zemljama EU. U Japanu u zagađenim gradovima (pre svega u Tokiju) koriste se fotokatalizatorske betonske ploče Noxer za popločavanje (proizvođač je Mitsubishi Material Group), kompanija Toto proizvodi fotokatalitički tretirane keramičke pločice, a Hydrotect Color Coat obojeni katalitički premaz na bazi vode.

Fotokatalitička tehnologija je u Evropi primenjena za izgradnju Crkve Jubileja u Rimu (Dio Padre Misericordioso). Napravljena je 2003. godine od samočistećih betonskih elemenata poput belih jedara. Projekat je izgrađen pomoću TX Millennium belog portland cementa sa fotokatalitičkim dodatkom, a proizvodi ga kompanija Italcementi Group. Američka podružnica iste kompanije uvela je tehnologiju i na tamošnje tržište – napravljene su dve skulpture u Mineapolisu na novom mostu St. Anthony Falls. Takođe, u SAD kompanija Green Millennium već proizvodi fotokatalizatorski materijal na bazi vode.

Nanotehnološka rešenja

Korišćenje titanijum-dioksida kao fotokatalizatora samo po sebi podrazumeva ulazak u oblast nanotehnologije. Jer, titanijum-dioksid se u ovoj strukturi koristi u obliku nanočestica. Da bi postao fotokatalitičan, potrebno je delovati na materijal kako bi se stvorile izuzetno fine nanočestice sa izmenjenom atomskom strukturom. Na nano nivou ovaj materijal prolazi kroz separaciju naelektrisanja elektrona. Elektroni se rasprše po površini fotokatalizatora i reaguju sa spoljnim supstancama izazivajući hemijske redukcije i oksidacije. Na taj način deluju kao snažni oksidanti koji razlažu organska jedinjenja.

Nanočestice fotokatalizatora nanose se na betonske površine i ploče od aluminijuma, kao i na filtere za prečišćavanje vode. Na taj način je do sada ostvareno eliminisanje smoga do 45 odsto (pretvaranje štetnih nitrata azota u bezopasne nitrate). Nova tehnologija, predstavljena početkom decembra 2019, taj procenat će povećati na 70 odsto. Zasnovana je na korišćenju kompozitne smeše grafena i titanijum-dioksida sa znatno izraženijim fotokatalizatorskim karakteristikama.

Istraživanje je sproveo Graphene Flagship, najveća evropska istraživačka inicijativa u oblasti grafena, koja okuplja oko 150 akademskih i industrijskih istraživačkih grupa iz 23 evropske države. U tom projektu učestvovali su Univerzitet u Bolonji, Politehnički univerzitet u Milanu, CNR, NEST, Izraelski tehnološki institut, Tehnološki univerzitet u Ajndhovenu i Univerzitet Kembridž. Sada Graphen Flagship tim radi na fotokatalizatorskom pokrivanju gradskih površina u saradnji sa italijanskim proizvođačem cementa Italcementi.

Tajna je u grafenu

Da bi se popravio učinak titanije kao fotokatalizatora, tim inženjera Graphen Flagship-a kombinovao je čestice titanijum-dioksida sa grafenom. Taj čudesni materijal omogućio je da se dobije novi, mnogo efikasniji fotokatalizator. Grafen je zapravo alotropska modifikacija ugljenika, kao i mnogo poznatiji materijal sličnog imena – grafit. Za razliku od grafita, koji ima trodimenzionalnu rešetku, može se smatrati da je struktura grafena dvodimenzionalna. Kod njega su ugljenikovi atomi raspoređeni u ravni debljine jednog atoma, dok grafit sadrži veliki broj takvih ravni koje su naslagane jedna preko druge.

Glavna osobina grafena, koja pogoduje primeni u elektronici, jeste vrlo velika pokretljivost njegovih elektrona. Po svojim mehaničkim osobinama, grafen takođe ima zavidne karakteristike. Trenutno je najtvrđi materijal (stotinu puta čvršći od čelika), po čemu se znatno razlikuje od sebi bliskog grafita, a približava mnogo skupocenijoj alotropskoj modifikaciji ugljenika – dijamantu. Neobično je pritom da je grafen, i pored izuzetno velike čvrstoće, fleksibilan i rastegljiv (i do 20 odsto).

Da bi napravili nanokompozitni materijal, istraživači su koristili novu tehnologiju za skidanje slojeva grafena sa grafita kao osnovnog materijala („piling“ u tekućoj fazi). Tako dobijena smeša u obliku praha testirana je izlaganjem uslovima realnog zagađenja. U jednom testu korišćen je rodamin B, koji ima sličnu molekularnu strukturu kao organski zagađivači koji potiču od izduvnih gasova vozila, industrijskih i poljoprivrednih zagađenja. U tom testu pokazalo se da je za 40 odsto više smanjeno zagađenje vazduha nego u slučaju kad je korišćena samo titanija.

Smesa koja „jede“ smog

Kompozitna smeša grafena i titanije može lako da se nanosi na različite podloge. Pod dejstvom sunčeve svetlosti otrovne materije pretvara u bezopasan nitrat u obliku praha, koji može biti opran vetrom ii kišom, a može se oprati i ručno. S obzirom na to da se na ovaj način omogućava vrlo efektno otklanjanje smoga, može se reći da ova materija „jede smog“.

Ipak, potrebno je još dosta rada da se tehnologija komercijalizuje. Ono što je pritom najproblematičnije jeste činjenica da masovna proizvodnja grafena još uvek nije zaživela (skupa je), ali brojni naučnici već rade na rešavanju tog problema. Osim toga, u daljem razvoju potrebno je unaprediti i interakciju između katalizatora i baznog materijala na koji se on nanosi – mora biti znatno stabilnija u okolnom okruženju. Pomenimo na kraju još jednom da je atmosfersko zagađenje rastući problem, posebno u urbanim sredinama i u slabo razvijenim zemljama. Prema istraživanjima Svetske zdravstvene organizacije (WHO), jedna od devet smrti izazvana je bolestima čiji je uzrok zagađenje vazduha. Zbog toga je otkriće nove vrste fotokatalizatora od izuzetnog značaja.