Pomarańczowa rzeka i niebieski las – tak wygląda dziś krajobraz okolic ulicy Roździeńskiego w Jaworznie, przy której funkcjonowały kiedyś Zakłady Chemiczne „Organika-Azot” SA. Eksperci mówią, że to tykająca bomba ekologiczna, a naukowcy szukają rozwiązania, które ma nas uchronić przed katastrofą. Być może skuteczne okażą się specjalne mezoporowate materiały opracowywane w ramach projektu OPUS realizowanego wspólnie przez dr. hab. Mateusza Dulskiego, prof. UŚ z Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach oraz dr. hab. inż. Łukasza Laskowskiego, prof. IFJ PAN z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN im. Henryka Niewodniczańskiego PAN.

Pomarańczowa rzeka to nietypowy obraz okolic miejsca, gdzie kiedyś działały Zakłady Chemiczne „Organika-Azot” SA

Sposób na metale ciężkie

– Pomysł na badania zrodził się kilka lat temu podczas jednej z konferencji naukowych. Mieszkam w Jaworznie, dlatego temat potoku Wąwolnica i Centralnego Składowiska Rudna Góra jest mi dobrze znany. Kiedy więc usłyszałem o projekcie wdrożeniowym, którego celem było zaprojektowanie specjalnych barier zapobiegających przedostawaniu się substancji toksycznych ze skażonych obszarów, pomyślałem, że to świetny pomysł – mówi dr hab. Mateusz Dulski, prof. UŚ z Wydziału Nauk Ścisłych i Technicznych UŚ. – Wraz z dr. hab. inż. Łukaszem Laskowskim, prof. IFJ PAN z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN pomyśleliśmy, że oprócz takich barier można by było zastosować dodatkowe rozwiązania oczyszczające skażoną glebę i wody podziemne – dodaje.

Naukowcy postanowili zaprojektować specjalne mezoporowate materiały, dzięki którym można by „wyłapywać” określone metale ciężkie z obszarów skażonych, takich jak mocno zanieczyszczone tereny „Azotki” w Jaworznie. – W połączeniu ze wspomnianymi barierami byłby to całkiem ciekawy sposób remediacji skażonych gleb czy wód – przyznaje prof. Mateusz Dulski.

To jednak jeszcze nie wszystko. Wychwycone i zatrzymane pierwiastki metali ciężkich mogłyby być następnie odzyskiwane w procesie regeneracji z zastosowaniem kwasów czy odpowiedniej temperatury.

Sita molekularne

Podstawą rozwiązania ma być krzemionka SBA-15 o strukturze przypominającej plaster miodu. Istotną cechą takiego materiału są przylegające heksagony, wewnątrz których znajdują się cylindryczne pory o stałej średnicy, zależnej od warunków wytwarzania. Zazwyczaj średnica tych porów wynosi od 5 do 10 nanometrów.

– Są to tak zwane sita molekularne. Zewnętrzne lub wewnętrzne ściany możemy funkcjonalizować tzw. grupami bocznymi, pozwalającymi na wychwytywanie określonych metali ze środowiska – wyjaśnia naukowiec.

Jak dodaje, już sama nazwa sita molekularnego dosyć dobrze oddaje sposób działania rozwiązania. Z jednej strony oczka o określonej wielkości są w stanie przepuścić tylko wybrane pierwiastki lub molekuły, z drugiej – wiadomo, że specyficzne grupy boczne będą przyciągać jak magnes interesujące naukowców metale ciężkie. Dzięki tym właściwościom będzie można dopasowywać materiał do rodzaju i poziomu skażenia danego obszaru.

– Obecnie prowadzimy badania laboratoryjne. Sprawdzamy, jak w tych warunkach będzie działać zaprojektowany przez nas układ. Już teraz mogę powiedzieć, że otrzymane mezoporowate materiały są w stanie wychwytywać z gleby i wód m.in. srebro oraz miedź i akumulować je w krzemionkowej podstawie – mówi prof. Mateusz Dulski i dodaje, że współpracujący z nim prof. Łukasz Laskowski od wielu lat zajmuje się funkcjonalizowaniem mezoporowatej krzemionki na jej wewnętrznych ścianach. Z prowadzonych przez niego badań wynika m.in., że grupy propylowo-karbonylowe świetnie wychwytują srebro, podczas gdy grupy propylowo-fosfonianowe „preferują” miedź lub kobalt. Naukowiec z IFJ PAN założył także, że w ramach projektu opracuje nowe, dotąd nieznane sposoby funkcjonalizacji materiału krzemionkowego. Taka struktura miałaby przypominać pajęczynę, w którą „wpadałyby” w tym przypadku określone chlorki metali.

Okazuje się, że projektowane układy lepiej działają w środowisku wodnym, ze względu na ruch wody, dzięki któremu molekuły lub pierwiastki mogą być naturalnie „wpychane” do tej specyficznej pułapki.

„Pastylki” w specjalnych pojemnikach

Jednym z największych wyzwań w projekcie jest jednak odpowiednie przygotowanie krzemionki. Dostarczana w postaci proszku, musi być przetworzona, aby mogła zostać zastosowana jako nośnik grup funkcyjnych i „zbiornik” na metale ciężkie. Jednym z rozwiązań może być jej prasowanie, aby przybrała postać wygodnej w użyciu „pastylki”. Niestety sam proces takiej obróbki wpływa na właściwości sorpcyjne materiału. Naukowcy szukają więc najlepszej drogi, która pozwoli otrzymać układ relatywnie odporny mechanicznie i wykazujący jednocześnie pożądane właściwości.

Krzemionka SBA-15 wykorzystywana w procesie regeneracji pierwiastków metali ciężkich

– Taka „pastylka” ma obecnie średnicę około 3 milimetrów. Musimy pamiętać o tym, że manipulowanie wielkością produktu także wpływa na jego właściwości. Większa forma staje się bardziej podatna na uszkodzenia mechaniczne. Dlatego naszym zdaniem najlepszym rozwiązaniem byłoby wsadzenie określonej liczby takich „pastylek” do specjalnego pojemnika, a następnie umieszczenie wielu takich pojemników w skażonym terenie – mówi naukowiec z Uniwersytetu Śląskiego.

Po pewnym czasie pojemniki łatwo byłoby zabrać z powrotem do laboratorium, odzyskać konkretne metale ciężkie, a następnie cały układ poddać regeneracji. Docelowo jest to produkt wielokrotnego użytku. Naukowcy będą jednak musieli sprawdzić, ile cykli regeneracyjnych są w stanie przetrwać porowate materiały, aby ich właściwości mechaniczne i sorpcyjne były nadal satysfakcjonujące.

– Wstępne wyniki badań prowadzonych w warunkach laboratoryjnych są obiecujące. Mamy już skuteczne materiały wychwytujące: srebro, kobalt, miedź oraz chlorki żelaza, a w planach kolejne pierwiastki chemiczne, takie jak: ołów, kobalt, nikiel, cynk i złoto – wymienia prof. Mateusz Dulski.

Na pytanie, czy podobne rozwiązania funkcjonują już na świecie, naukowiec odpowiada twierdząco. Zwraca jednak uwagę na kluczową różnicę. W znanych materiałach stosowane są rozbudowane grupy funkcyjne, głównie odnogi polimerowe czy grupy kwasowo-tłuszczowe. W przypadku materiałów opracowywanych w ramach projektu planowane są krótsze, mniej rozbudowane, a przez to prostsze łańcuchy grup, które interesują badaczy z Polski. Są to jednak badania czasochłonne. Ze względu na właściwości krzemionki naukowcy muszą dobrać odpowiednie warunki, takie jak temperatura, wilgotność czy kwasowość środowiska, aby konkretna grupa funkcyjna mogła wbudować się w ściany porów krzemionki.

Z laboratorium do środowiska

– Być może któreś z rozwiązań zgłosimy do Urzędu Patentowego RP, takie działania również uwzględniliśmy w naszym projekcie. Jest jednak jeszcze za wcześnie na mówienie o wdrożeniu naszego produktu. Mimo to bierzemy pod uwagę możliwość przeskalowania materiału w taki sposób, aby można było myśleć o komercjalizacji wyników badań – podkreśla prof. Mateusz Dulski.

Gdy zakończą się prace w laboratorium, naukowcy planują kontynuację prac w warunkach środowiskowych. Ważnym aspektem będzie z pewnością minimalizacja kosztów produkcji.

– Nie będę ukrywał, że na etapie, na którym się obecnie znajdujemy, nie są to najtańsze rozwiązania. Ogromne doświadczenie prof. Łukasza Laskowskiego powoduje, że mamy jednak wiele możliwości modyfikacji poszczególnych etapów produkcji w taki sposób, aby ostatecznie koszty produkcji były niższe, a produkcja opłacalna. Sprawdzimy, co można wyeliminować i jakie mniej kosztowne zamienniki zastosować przy zachowaniu satysfakcjonujących właściwości samego produktu. To jednak temat przyszłości, myślę, że będę mógł powiedzieć więcej za dwa, może trzy lata. Tymczasem przed nami jeszcze wiele godzin spędzonych w laboratorium – podsumowuje prof. Mateusz Dulski.

Badania prowadzone są w ramach projektu OPUS19 (2020/37/B/ST8/03637) pt. „Multifunkcjonalne porowate nanomateriały jako nowoczesne filtry środowiskowe do remediacji gleb i wód podziemnych”.

W skład zespołu wchodzą: dr hab. Mateusz Dulski, prof. UŚ, dr hab. Łukasz Laskowski, prof. IFJ PAN, dr Magdalena Laskowska oraz mgr Aleksandra Strach.