Канадские химики разработали новый метод очистки воды от микрочастиц полистирола. При пропускании тока через раствор на аноде образуются гидроксильные радикалы, которые окисляют молекулу полистирола до углекислого газа и воды. Подобрав оптимальные параметры, ученые смогли за шесть часов окислить 89 процентов микрочастиц полистирола. В дальнейшем новый способ можно будет использовать для очистки промышленных сточных вод.

Результаты исследования опубликованы в журнале Environmental Pollution.

Загрязнение водоемов микрочастицами пластика распространяется стремительно — в мировом океане плавает более пяти триллионов пластиковых фрагментов, в прошлом году микропластик был обнаружен в донных отложениях вблизи Антарктиды и в воздухе над Северной Атлантикой и в водопроводной воде. Микропластик опасен для рыб и других морских животных, кроме того он может подниматься по пищевой цепи выше и проникать в организм человека.

Микрочастицы пластика могут образовываться непосредственно в водоемах из более крупного пластикового мусора, но все же их главным источником остаются сточные воды. Существующие методы фильтрации не позволяют полностью очистить сточные воды от частиц микропластика, более того, в 2019 году австралийские и британские ученые продемонстрировали, что некоторые пористые фильтры дробят микрочастицы пластика до еще более мелких частиц, которые затем проходят через системы фильтрации и попадают в водоемы.

Канадские химики под руководством Патрика Дроги (Patrick Drogui) из Национального Научно-Исследовательского института в Квебеке предложили очищать воду с помощью принципиально иной процедуры — окисления под действием электрического тока. Авторы работы исследовали возможности электроокисления на примере микрочастиц полистирола. Это один из самых распространенных типов пластика (ежегодно производится более 25 миллионов тонн) который используется для изготовления упаковки, контейнеров, а также в строительстве.

Ученые готовили суспензию микрочастиц полистирола со средним размером 25 микрометров с концентрацией 100 миллиграммов в литре, добавляли к ней растворимый электролит и пропускали ток. При этом на аноде образовывались активные гидроксильные радикалы, которые реагировали с частицами полистирола, окисляя их до углекислого газа и воды, поэтому концентрация полистирола постепенно уменьшалась.

Чтобы убедиться, что микрочастицы полистирола не распались на частицы еще меньшего размера, а превратились в углекислый газ и воду, Дроги и его коллеги использовали комбинацию различных методов: сканирующую электронную микроскопию, динамическое светорассеяние и инфракрасную спектроскопию с Фурье-преобразованием. Кроме того, в течение реакции ученые отбирали пробы суспензии полистирола, фильтровали их, чтобы избавиться от оставшихся частиц полистирола и измеряли общее количество органического углерода в фильтрате методом каталитического сжигания.

Этот эксперимент не выявил накопления наночастиц полистирола или других органических молекул в процессе реакции, то есть подтвердил, что весь распадающийся полистирол превращается в углекислый газ и воду.

В поисках оптимальных условий процесса авторы работы меняли разные параметры: величину пропускаемого тока, площадь электродов, состав и концентрацию электролита и время реакции.

Интенсивность расщепления полистирола ожидаемо увеличивалась с ростом силы тока и концентрации электролита — лучшие результаты авторы получили при величине тока девять ампер и концентрации электролита 0,03 моль на литр.

Среди анодных материалов чемпионом был признан допированный бором алмаз (borous doped diamond, BDD) — его эффективность была в полтора раза выше, чем у оксида иридия и смешанного оксида разных металлов, испытанных в тех же условиях.

Причина, по всей видимости, в более легком образовании гидроксил-ионов на поверхности BDD.

Лучшим электролитом оказался сульфат натрия Na₂SO₄, поскольку сульфат-ионы в условиях реакции могут превращаться в активные персульфатные ионы, которые также реагируют с полистиролом и окисляют его.

Используя BDD, cульфат натрия за шесть часов электролиза ученым удалось окислить 89 процентов суспендированных частиц полистирола. В то же время оказалось, что площадь рабочего электрода влияет на выход реакции совсем незначительно. Это значит, что новый метод в дальнейшем можно будет масштабировать для использования в промышленности.