Нанодопомога повітрю й воді

В Україні діє цільова комплексна програма фундаментальних досліджень «Наноструктурні системи, наноматеріали, нанотехнології» Національної Академії наук та Міністерства освіти та науки. Її пріоритетні напрямки — процеси самоорганізації, діагностики та моделювання наносистем, гетерогенного каталізу, наноелектрохімії, з’єднання та зварювання елементів конструкцій, створення  матеріалів електронної техніки, напівпровідникових структур, гібридних нанокомпозитів, одержання наночастинок у розчинах і біосумісних керамік…

Саме за цими «дорожніми картами» працюють учені Українського державного хіміко-технологічного університету (УДХТУ). Про свої дослідження «УТГ» розповідають професор кафедри фізичної хімії, доктор хімічних наук Олександр Величенко й доцент тієї ж кафедри, кандидат хімічних наук Тетяна Лук’яненко. 

«Картина маслом»

— Олександре Борисовичу, що нового в українській хімічній науці «про нано»?

— Нововведення диктує сама реальність. Приміром, ви знаєте, що воду зі Славутича (навіть двічі очищену!) пити не можна? У ній завеликі концентрації токсинів, вірусів і навіть трупних отрут! При цьому представники Дніпропетровського водоканалу заявляють, що якість питної води відповідає нормам діючого ДСТ 2874-82. Але вже ні для кого не секрет колосальні кількості промислових і хімічних відходів (особливо радіо­активних) у придніпровському регіоні. Воду з колодязів у Таромському й
Сухачевці (на межі із Дніпродзержинськом) використовувати теж украй небезпечно, особливо навесні: залишки ураново-плутонієвих відходів Придніпровського хімічного заводу активно потрапляють туди навіть крізь природні земляні та штучні фільтри.

Недавно начальник водоканалу Павло Корженко озвучив унікальні дані: через 2 роки (точно під Євро-2012) одному з фільтрів підприємства виповниться 100 років! А взагалі, за його словами, вода Славутича–Борисфена очищається фільтрами випуску 1912—1968 років. Крім того, 70% всіх водопровідних труб повністю зношені. 

Додамо до цього стоки численних медичних установ. Ці відходи, що містять трупні отрути, віруси та мікроби, жодним чином не обробляються, а  надзвичайно шкідливі компоненти не піддаються деструкції.

Така от водичка після найпримітивнішої хлорної дезінфекції тече просто в наші ріки, струмки та джерела. Старі методи  очищення медичних стоків та утилізації відходів лікування зовсім неефективні. Віруси гепатиту, стафілококу, туберкульозу й туляремії добре пристосувалися до найсильніших антибіотиків і сульфаніламідів. А вже до хлорки — і поготів.

Додамо до цього десятки тисяч тонн старих добрив, засобів захисту рослин і гербіцидів, що лежать просто неба або в примітивних напівзруйнованих сховищах.

Така от «картина маслом». Використання розроблених нами металооксидних і недорогих нано­каталізаторів абсолютно необхідне в  будівництві нових систем очищення води та утилізації промислових отрутних відходів, особливо фенолів і пестицидів.

Тож щосили намагаємося створити оборонну «нано-зброю» у вигляді новітніх технологій і виробів.  Над цим працює моя учениця, молодий доцент Тетяна Лук’яненко.

Фільтруємо, руйнуємо, очищаємо…

— Тетяно Вікторівно, розкажіть, будь ласка, докладніше про ваші електрохімічні та нано­технологічні інновації. 

— Насамперед відзначу, що наші науково-дослідні й дослідно-кон­структорські роботи проводяться в рамках цільових науково-технічних програм НАНУ й МОН.  Тому й проблеми ми вирішуємо комплексні: створення новітніх нанокомпозиційних керамічних електрокаталізаторів для використання  в різних електрохімічних техпроцесах (насичення води киснем, синтез різноманітних органічних і неорганічних сполук). І, зрозуміло, створюємо нові технології з очищення води, повітря й ґрунту, руйнування тих токсичних речовин, якими наше довкілля насичене надміру. Старі методи тут не діють: ті ж пестициди з гербіцидами, відходи медицини та хімічної промисловості вони «не беруть».

— Такі розробки активно ведуться в США, Китаї, Японії… У чому особливість українських досліджень?

— Створення методів спрямованого синтезу нових матеріалів із заданими властивостями — один із пріоритетних напрямів сучасної науки. При цьому все більша увага приділяється різним електрохімічним методам — вони простіші  в реалізації, вимагають менше коштів на апаратурне оформлення, дозволяють управляти складом і властивостями матеріалів шляхом варіації та моніторингу режимів електролізу й складу електроліту. Дуже цікаві методи електрохімічного одержання оксидних композитів різного призначення.

Особливість наших розробок у тому, що без високих температур, а самими лише електрохімічними методами ми можемо управляти зміною розмірів нано­частинок у процесі одержання каталізатора їх метало­оксидів. Приміром, при формуванні колоїдного розчину одержуємо частинки двоокису титану розміром у 2—3 нм.

Шляхом уведення електрода в розчин ми змусили нові наноката­лізатори працювати у видимому світлі (раніше такого  не було, вони функціонували тільки в ультрафіолеті).

— Сьогодні як каталізатори дуже популярні нанокомпозити із платини  (особливо в нових автомоторах для зниження викидів за стандартами «Євро-4» і «Євро-5»). Але вартість цього металу «зашкалює». Саме із цієї причини ви вибрали поширені оксиди, які коштують дешевше?  

— Звичайно, ціна вихідної сировини дуже важлива. Але в неї є й багато інших плюсів. Дво­окиси свинцю й марганцю через простоту їхнього  електрохімічного одержання, високу корозійну стійкість, низьку вартість і високу каталітичну  активність  широко застосовуються в сучасних електрохімічних процесах (особливо у водневих джерелах струму й накопичувачах енергії, технологіях руйнування токсичних речовин у стічних водах). Крім того, дуже  цікаві для досліджень композити з домішками поверхнево-активних речовин (ПАР) і поліелектролітів (ПЕ).  При збереженні базових властивостей PbО2, MnO2 їхній склад, фізико-хімічні особливості та електрокаталітична активність можуть варіюватися в широких межах.

Накопичувати!

— Олександре Борисовичу, чи можна сказати, що українські вчені — у лідерах із розроблення нової нанозброї проти отрут і токсинів?

— Результати, очікувані від упровадження наших нанорозробок, упевнений, стануть проривними не тільки для нашої країни, а й для всієї Європи. Вони відповідають світовому рівню розвитку сучасної  електрохімії,  мають значну теоретичну цінність і обов’язково повинні стати науковою основою для створення новітніх екологічно безпечних технологій та матеріалів.

Ми весь час рухаємося вперед. Приміром, є серйозна проблема, що стосується екології автотранспорту. Вона пов’язана з утилізацією домішки до палива — метатетрабутил­ефіру. МТБЕ добре справляється з підвищенням октанового числа бензину й ККД двигуна внутрішнього згоряння. Але в неї є й серйозні недоліки — дуже токсична, погано пахне й не піддається біологічній деструкції. Де відбувається її розлив, там утворюється мертва й «запашна» зона. Ми вже провели експерименти розкладання цього ефіру за допомогою наших нанокаталізаторів і одержали успішні результати. Тепер патентуємо ноу-хау й тех­процес.

І ще кілька слів про наше наукове лідерство. Сьогодні, коли активно розвиваються  технології водневого палива й широко використовуються електромобілі, дуже актуальна проблема створення резервних накопичувачів енергії. Це абсолютно новий проект у дусі нового століття! Поки над ним працюють тільки дві наукових групи у світі: у нашому УДХТУ й британському університеті Саут­гемптона. Ми з англійцями і співробітничаємо, і конкуруємо. Але головне — спільно створюємо новий напрям у техніці та науці третього тисячоліття.

Олександр Величенко

Професор кафедри фізичної хімії, провідний науковий співробітник НДІ гальванохімії УДХТУ. Уродженець Кривого Рогу. У 1983 році з відзнакою закінчив хімічний факультет Дніпропетровського національного університету. У 1988-му захистив кандидатську дисертацію, у 2003-му став доктором хімічних наук за спеціальністю «електрохімія».

Член Американського електрохімічного товариства (The Electrochemical Society),  Міжнародного електрохімічного товариства (International Society of Electrochemistry), Ради з проблем електрохімії НАНУ, експертної ради з хімії МОН України, спеціалізованої вченої ради за фахом «технічна електрохімія». Професор знаменитих закордонних університетів: Барселони (Іспанія), італійської Феррари й американського Сіетла, ім. П’єра і Марії Кюрі (Франція).

Автор 158 наукових праць.

Тетяна Лук’яненко

Кандидат хімічних наук за фахом «електрохімія» (2005 р.) Доцент кафедри фізичної хімії УДХТУ. Автор понад півсотні наукових статей, опублікованих у відомих міжнародних журналах, спів­автор монографії «Перспективи використання гіпохлоритів у ветеринарній медицині» (2009 р.).

Довідка «УТГ»

За підсумками конкурсу Дніпропетровської облдержадміністрації для кращих молодих учених у 2009 році грант у сумі 15000 грн одержала доцент УДХТУ Тетяна Лук’яненко за роботу «Нанокаталізатори на основі двоокисів свинцю та марганцю: електроосадження та електрохімічні властивості».