Учёные создали фотокатализатор для очистки морской воды от компонента солнцезащитных средств

Учёные из Китая и Австралии разработали фотокатализатор, способный удалять из морской воды бензофенон-3 (BP-3, оксибензон) — УФ-фильтр, который используется в солнцезащитных средствах и косметике. Описание технологии опубликовано в Nature Communications.

Авторы создали модифицированный углеродом графитовый нитрид углерода — материал, который под действием света генерирует активную форму кислорода и запускает разрушение BP-3. В лабораторных условиях скорость разложения загрязнителя оказалась примерно в восемь раз выше, чем у исходного немодифицированного материала.

За два часа удалялось более 95% загрязнителя

В опытах с имитацией солнечного света наиболее эффективный вариант фотокатализатора — Py-CN25 — разрушал более 95% бензофенона-3 за 120 минут. Для обычного графитового нитрида углерода этот показатель составлял около 25%, а без катализатора за то же время распадалось лишь около 8% вещества.

Главную роль в реакции играет синглетный кислород — химически активная форма молекулярного кислорода, которая образуется на поверхности материала под действием света. Эксперименты с подавлением различных активных частиц подтвердили, что именно он является основным агентом разрушения BP-3.

При этом загрязнитель не просто исчезал из раствора: содержание общего органического углерода за два часа снизилось почти на 60%, что указывает на частичную минерализацию вещества до более простых соединений.

Материал проверили не только в искусственной морской воде

Отдельно фотокатализатор испытали на настоящей морской воде, взятой у побережья Фуцзяни и Хайнаня в Китае, а также Нового Южного Уэльса в Австралии.

Во всех трёх образцах материал сохранял способность разрушать BP-3, хотя скорость реакции различалась из-за солёности, состава растворённых веществ и других особенностей воды.

Это важно, поскольку фотокатализаторы нередко показывают хорошие результаты в чистых лабораторных растворах, но заметно теряют эффективность в реальной морской воде с высокой минерализацией и сложным химическим составом.

Кораллы после очистки начали восстанавливаться

Вторая часть работы была посвящена воздействию бензофенона-3 на кораллы.

В экспериментах использовали мягкий коралл Pachyclavularia sp.. При росте концентрации BP-3 у него снижалась плотность симбиотических зооксантелл — микроводорослей, которые живут в тканях кораллов и обеспечивают их значительной частью энергии.

После десяти дней воздействия BP-3 в концентрации 7 мг/л кораллы находились в угнетённом состоянии: щупальца были втянуты, физиологические показатели ухудшились.

Затем их перенесли на субстрат, покрытый фотокатализатором. Через 21 день исследователи зафиксировали восстановление флуоресценции, раскрытие щупалец и улучшение состояния симбиотических водорослей.

На иллюстрации к работе, представленной на странице 44 статьи, хорошо видна эта последовательность: ухудшение состояния кораллов после воздействия BP-3 и последующее восстановление после переноса на покрытый катализатором субстрат.

Сам фотокатализатор можно закреплять на искусственном рифе

Чтобы материал не распространялся в воде в виде порошка, учёные закрепили его на подложке из обожжённой глины.

Такая конструкция одновременно уменьшает потерю частиц катализатора и может служить поверхностью для прикрепления кораллов. Авторы рассматривают это как потенциальную основу для сочетания очистки морской воды и восстановления рифовых экосистем.

После 15 последовательных циклов общей продолжительностью 30 часов эффективность удаления BP-3 снизилась примерно на 9%, то есть материал сохранил большую часть исходной активности.

До очистки настоящих рифов пока далеко

Несмотря на результат, речь пока идёт о лабораторной технологии, а не готовом способе очистки коралловых рифов.

Эксперименты с кораллами проводились в контролируемых аквариумных условиях, а концентрация BP-3 специально задавалась исследователями. Для практического применения ещё необходимо проверить долговечность материала в открытом море, его эффективность при реальных концентрациях загрязнителя, влияние на другие морские организмы и возможность масштабирования.

Авторы также оценивали токсичность продуктов распада BP-3 преимущественно с помощью расчётной модели ECOSAR. Для большинства обнаруженных промежуточных соединений прогнозируемая токсичность была ниже, чем у исходного вещества, однако это ещё не заменяет полноценные экологические испытания.

Тем не менее работа показывает потенциально интересный подход: фотокатализатор может одновременно разрушать органический загрязнитель в морской воде и создавать поверхность, пригодную для восстановления кораллов.