Atrazin är ett av de mest använda bekämpningsmedlen i Nordamerika. Forskare vid Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) har utvecklat en ny metod för att bryta ned den som kombinerar ett nytt nanostrukturerat material och solljus.

Atrazin finns i hela miljön, även i dricksvattnet för miljontals människor över hela landet. Konventionella vattenbehandlingar är inte effektiva för att nedbryta detta bekämpningsmedel. Nyare processer är mer effektiva, men använd kemikalier som kan lämna giftiga biprodukter i miljön.

Professor My Ali El Khakani, en expert på nanostrukturerade material, och professor Patrick Drogui, en specialist inom elektroteknik och vattenrening, har gått samman för att utveckla en ny ekologisk nedbrytningsprocess för atrazin som är så kemikaliefri som möjligt. "Genom att arbeta synergistiskt, vi kunde utveckla en vattenreningsprocess som vi aldrig skulle ha kunnat åstadkomma separat. Detta är ett av de stora mervärdena av tvärvetenskaplig forskning, säger professor El Khakani, huvudförfattare till studien, vars resultat publiceras idag i tidskriften Katalys idag .

Forskarna använder en befintlig process, kallas fotoelektrokatalys eller PEC, som de har optimerat för nedbrytning av atrazin. Processen fungerar med två fotoelektroder (ljuskänsliga elektroder) med motsatta laddningar. Under inverkan av ljus och en elektrisk potential, det genererar fria radikaler på fotoelektrodernas yta. Dessa radikaler interagerar med atrazinmolekyler och bryter ner dem. "Användningen av fria radikaler är fördelaktig eftersom det inte lämnar giftiga biprodukter som klor skulle göra. De är mycket reaktiva och instabila. Eftersom deras livslängd är mycket kort tenderar de att försvinna snabbt, " förklarar professor Drogui, som är medförfattare till studien.

Materialens utmaningar

För att tillverka fotoelektroder (ljuskänsliga elektroder), Professor El Khakani valde titanoxid (TiO ₂ ), ett material som är mycket rikligt, kemiskt stabil, och används i många applikationer inklusive vitt pigment i färger eller solskyddsmedel. Vanligtvis, detta halvledande material omvandlar ljusenergin från UV-strålar till aktiva laddningar. För att dra fördel av hela solspektrumet, d.v.s. synligt ljus förutom UV, Professor El Khakani var tvungen att göra TiO2-filmerna känsliga för synligt solljus. För detta ändamål, hans team modifierade titanoxid i atomär skala genom att införliva kväve- och volframatomer med hjälp av en plasmaprocess. Denna dopning minskar den fotonenergi som krävs för att utlösa PEC i dessa nya fotoelektroder.

Eftersom PEC-processen verkligen är ett ytfenomen, behandlingen av en stor volym kräver en stor ytarea av fotoelektroderna. För detta, Professor El Khakanis team utnyttjade fördelarna med att nanostrukturera ytan på fotoelektroder. "Istället för att ha en plan yta, tänk dig att skulptera den i nanoskala för att skapa dalar och berg. Detta ökar den tillgängliga aktiva ytan utan att ändra den fysiska ytan. Detta kallas nanostrukturering. Således, den aktiva ytan ökas på konstgjord väg med flera tusen gånger jämfört med den fysiska ytan. Med 1 g material, aktiva ytor mellan 50 och 100 m ² kan uppnås - det handlar om ytan på en lägenhet, " säger professor El Khakani.

Ny processeffektivitet och dess gränser

När fotoelektroderna väl utvecklades och integrerades i en PEC-reaktor, Professor Droguis team optimerade processen. Hans team använde först prover av avmineraliserat vatten som atrazin tillsattes. PEC med fotoelektroden eliminerade cirka 60 procent av bekämpningsmedlet efter 300 minuters behandling. Forskare gick sedan vidare till verkliga prover av vatten som samlats in från Nicolet River (QC, Kanada) nära områden med intensiv majs- och sojabönodling där herbicider ofta används.

När du använder verkliga vattenprover, endast 8 procent av atrazinet bröts ned initialt. Denna låga andel beror på närvaron av suspenderade partiklar som hindrar mycket av ljuset från att nå fotoelektroden. Dessutom, arterna som finns i lösningen kan fästa vid elektroden och därmed minska dess aktiva yta. Utnyttja sin expertis inom vattensanering, Professor Droguis team genomförde förbehandlingar baserade på koagulering och filtrering av vissa arter innan de tillämpade PEC-metoden igen. De lyckades sedan bryta ner 38 till 40 procent av atrazinet i de riktiga proverna.

Behandlingseffektiviteten förblir relativt låg jämfört med syntetiskt vatten eftersom riktigt vatten innehåller bikarbonater och fosfater som fångar fria radikaler och hindrar dem från att reagera med atrazin. "Förbehandling med kemisk koagulering hjälper till att avlägsna fosfater, men inte bikarbonater. Kalcium kan tillsättas för att fälla ut dem, men vi vill minimera användningen av kemikalier, säger professor Drogui.

Enligt författarna, deras nya optimerade PEC skulle kunna användas som en tertiär behandling, efter avlägsnande av suspenderade partiklar och koagulerbara ämnen. Dock, ett förindustriellt demonstrationsskede krävs innan man tänker på storskalig användning. Till sist, deras process har använts för att bryta ned atrazin, men de två teamen fortsätter att arbeta tillsammans för att ta itu med andra nya föroreningar och antibiotikarester i vatten.