Химики Южно-Уральского государственного университета создали «умную» краску с фильтрующим эффектом
Исследователи лаборатории экологических проблем постиндустриальной агломерации кафедры экологии и химической технологии Института естественных и точных наук ЮУрГУ создали «умную» краску с уникальными свойствами. Добавление мезопористых сферических наночастиц оксида титана помогло создать покрытие, которое эффективно задерживает молекулы мелкодисперсных загрязняющих веществ и легко чистится.
Фото: сгенерировано ИИ
Воздушная тревога
На сегодняшний день более 30% российских городов имеют повышенный уровень загрязнения воздуха. Не только в нашей стране, но и во всем мире это считается одной из самых острых экологических проблем. Специалисты ВОЗ выделяют пять основных загрязняющих веществ: угарный газ (CO), формальдегид (HCHO), диоксид азота (NO2), диоксид серы (SO2) и аэрозоли. Основная причина их высокой концентрации в атмосфере – деятельность человека.
Автотранспорт, металлургические предприятия, тепловые электростанции, химические производства, целлюлозно-бумажные комбинаты и другие предприятия постоянно загрязняют воздух городов вредными выбросами. Это не только снижает качество жизни горожан, но и напрямую влияет на их здоровье. Врачи доказали, что плохой воздух сказывается на состоянии легких, сердца, иммунной, нервной и репродуктивной систем, а также он может стать причиной появления у человека онкологических заболеваний.
По оценке Министерства природных ресурсов в 2020 году, высокий и очень высокий уровни загрязнения были отмечены в 34 российских городах. То есть более 50 миллионов жителей нашей страны находятся в зоне риска, и их количество постоянно растет.
Результат вполне предсказуем. Только в 2021 году, по данным Роспотребнадзора, плохое качество воздуха стало причиной появления болезней более чем у одного миллиона человек.
Сейчас на передний план борьбы с загрязнением воздуха вышла очистка атмосферы от так называемых мелкодисперсных взвешенных частиц (PM). Это мельчайшие частички веществ диаметром менее 10 микрометров. Для сравнения, толщина человеческого волоса составляет около ста микрометров. Получается, что на сечении волоса можно расположить до 40 мелкодисперсных частиц.
По выводам ученых, именно они представляют наибольшие проблемы для организма человека, поскольку могут проникнуть глубоко в легкие, а некоторые даже попасть в кровоток. Конечно, экологи следят и за общим качеством воздуха, особенно в крупных городах и промышленных центрах, но основной приоритет сейчас направлен на изучение вреда, который несет в себе микропыль.
Невидимые враги
Мелкодисперсные взвешенные частицы делятся по размеру на два основных класса – PM2.5 и PM10. Их количество в воздухе зависит от множества факторов, включая близость больших дорог, строек и промышленных производств. Опасная микропыль бывает не только антропогенного происхождения: источником PM2.5 и PM10 могут быть, например, дым от лесных и торфяных пожаров, пылевые бури, вулканический пепел и так далее.
Основная часть РМ состоит из нескольких химических компонентов: сульфатов, нитратов, аммиака, ионов натрия, калия, кальция, магния, органического и элементарного углерода, минералов земной коры. В составе микропыли часто находят тяжелые металлы, например ванадий, кадмий, медь, никель и цинк, а также биологические компоненты, такие как аллергены и микроорганизмы.
По оценкам специалистов, из-за воздействия РМ во всем мире происходят около 3% случаев смерти от сердечных патологии и 5% случаев смерти от рака легких.
При этом у ученых нет данных о безопасном пороге, ниже которого загрязнение воздуха не влияет на здоровье. Считается, что мелкодисперсные взвешенные частицы даже в небольших концентрациях могут стать причиной развития заболеваний у некоторых людей.
Поэтому многие страны сейчас активно борются с вредными выбросами предприятий и мусоросжигательных заводов, используют передовые системы фильтрации выбросов, а также разрабатывают инновационные способы очистки воздуха.
Конкретно в России во многих городах сейчас установлены базовые системы для мониторинга состояния качества воздуха. Но при этом многие из них не контролируют уровень РМ из-за отсутствия на текущий момент каких-либо официальных нормативов на содержание микропыли в атмосфере.
Зато опасность микропыли хорошо известна российским ученым. Поэтому в научных учреждениях давно и продуктивно ведется работа над снижением вредных выбросов и созданием новых поколений систем промышленной фильтрации.
Природные технологии
Иногда случается, что идеи для инноваций ученым подсказывает сама природа. Именно так в стенах Южно-Уральского государственного университета (ЮУрГУ) недавно была создана «умная» краска, которая способна очищать городской воздух от свинца, мышьяка и других опасных взвешенных веществ. Исследователи лаборатории экологических проблем постиндустриальной агломерации обнаружили уникальный механизм поглощения микропыли, который послужил источником вдохновения на создание технологии, в обычных листьях растений.
«Растения очищают воздух, поглощая ультрамелкую пыль через устьица, расположенные на поверхности листьев. Эти устьица работают как мельчайшие насосы, осуществляя газообмен между растением и атмосферой. Наш коллектив в ходе исследований, поддержанных Российским научным фондом и Правительством Челябинской области, показал, что накопление металлов в листьях деревьев происходит именно за счет поглощения ультрамелкой пыли через устьица», – рассказывает доцент кафедры экологии и химической технологии Института естественных и точных наук ЮУрГУ Татьяна Крупнова.
Химики изучили листья растений под электронным микроскопом и заметили в них застрявшие частицы микропыли размером в несколько микрон. С помощью рентгенофлуоресцентной приставки они смогли получить точный состав песчинки по таблице Менделеева. Оказалось, что помимо типичных кальция, углерода, кислорода, кремния и алюминия, в городских растениях накапливается мышьяк и свинец.
Осажденные растениями опасные вещества никуда не деваются: они проникают в почву вместе с опавшей листвой, где продолжают накапливаться. Поэтому в больших промышленных городах уровень загрязнения почвы и воды значительно выше средних значений. Со временем вредные вещества и тяжелые металлы в составе микропыли вновь попадают в атмосферу и опять угрожают здоровью людей.
Благодаря природе, ученые ЮУрГУ нашли способ прервать круговорот РМ в воздухе. Они разработали покрытие, которое может поглощать из атмосферы вредные микро- и наночастицы.
«На основе этого открытия мы предложили состав силикатной фасадной краски и подали заявку в Роспатент. Наши химики первые, кто предложил состав краски именно с функцией очистки воздуха от ультрамелких частиц», – уточняет Татьяна Крупнова.
Макропольза наночастиц
Основой для добавки, которая способна поглощать микропыль, стали мезопористые сферические наночастицы оксида титана. Они также были синтезированы на кафедре экологии и химической технологии ЮУрГУ. Это перспективный материал с рядом уникальных физико-химических характеристик для создания топливных и солнечных элементов, оптических и защитных покрытий, а также самоочищающихся поверхностей.
Ученые выяснили, что добавление мезопористого оксида титана к силикату калия или калийному жидкому стеклу позволяет получить покрытие со свойством к задерживанию частиц мелкой промышленной пыли. Команда исследователей описала свое открытие в научной статье, которая была опубликована в Международном журнале Geomate.
Уникальная краска, созданная химиками с кафедры экологии и химической технологии ЮУрГУ, не содержит органических компонентов. Она подходит для нанесения как на фасады домов и других городских зданий, так и для использования в промышленных помещениях. При этом «умной» краской можно покрывать городские бордюры и даже наносить дорожную разметку.
По словам ученых, для очистки материала, забитого микропылью, достаточно промыть его поверхность под напором воды. Такая процедура полностью восстанавливает фильтрующие возможности краски.
Следующим шагом для химиков стал выбор оптимального состава, который сможет расширить возможности уникального материала, чтобы он мог поглощать не только мелкодисперсные взвешенные частицы, но и различные органические загрязнения.
Последние микробиологические исследования показали, что суспензии некоторых гранул фотокаталитического оксида титана эффективно убивают бактерии кишечной палочки и стафилококка. Под воздействием вещества опасные бактерии разрушаются и становятся нежизнеспособными.
«Такие свойства обнаружены нами впервые и пока не опубликованы, требуется детально разобраться с механизмом, объяснить полученные явления. Мы работаем над составом краски, которая будет очищать и обеззараживать воздух. Нужны будут сначала лабораторные испытания, а затем и исследования в реальных условиях», – поясняет Татьяна Крупнова.
Химикам еще предстоит разобраться во всех возможностях, которые таят в себе перспективные наночастицы оксида титана. Ученые продолжают изучать его свойства и возможности их использования на благо общества. Хотя даже такие простые и понятные решения, как «умная» краска для борьбы с загрязнением воздуха, уже сейчас способны значительно повлиять на качество жизни в крупных городах и здоровье людей.
