Mikrofluidyka: Leki, perfumy i... astronauci skorzystają z fotoreaktorów jak włos

[KopalniaWiedzy.pl 357]

Urządzenia wielkości smartfona zdolne przy udziale światła słonecznego oczyszczać wodę dla jednej osoby, biurkowe moduły produkujące z chemicznych odpadów cenne substancje dla farmacji. Budowa tak nowatorskich przyrządów, dostarczających produkt nie porcjami, lecz w sposób ciągły, staje się możliwa dzięki ultradźwiękowej technologii nanoszenia warstw ditlenku tytanu na wewnętrzne ścianki rurek o średnicach liczonych zaledwie w mikrometrach.

Ultradźwięki kojarzą się z obrazowaniem narządów wewnętrznych, echolokacją czy obróbką powierzchniową materiałów, za ich pomocą usuwa się też powłoki zanieczyszczeń. W Instytucie Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN) w Warszawie zamiast do niszczenia warstw, ultradźwięki wykorzystano w dokładnie przeciwnym celu: do precyzyjnie kontrolowanego nanoszenia powłok ditlenku tytanu (TiO₂), związku znanego z właściwości fotokatalitycznych i samoczyszczących. W artykule w czasopiśmie Ultrasonics – Sonochemistry naukowcy z IChF PAN jako pierwsi opisali technikę osadzania nanocząstek TiO₂ na wewnętrznych ściankach rurek o średnicach mikrometrowych, a więc zbliżonych do rozmiarów włosa. Tak przygotowane polimerowe przewody stają się mikroprzepływowymi fotoreaktorami. Wystawione na działanie światła słonecznego, urządzenia te stają się ciągłym źródłem czystej wody, mogą też służyć do pozyskiwania cennych półproduktów dla przemysłów farmaceutycznego czy perfumeryjnego.

Ditlenek tytanu osadzony na wewnętrznej ściance mikrorurek to kluczowy, zgłoszony do opatentowania element naszej technologii. Odpowiedno używając ultradźwięków, potrafimy wytwarzać w rurkach jednorodne warstwy fotokatalizatora o precyzyjnie kontrolowanej grubości, zoptymalizowane pod kątem konkretnych procesów chemicznych – mówi dr hab. inż. Juan Carlos Colmenares, prof. IChF PAN, i zauważa: Dzięki rurkom pokrytym od wewnątrz fotokatalizatorem jesteśmy w stanie prowadzić reakcje non stop, przy ciągłym przepływie cieczy przez układ. To nowatorskie podejście. W dotychczasowych fotoreaktorach ciecz trzeba było oczyszczać porcjami, na dodatek zwykle zawierającymi hektolitry płynu.
W praktyce mikrofotoreaktor to rurka polimerowa długości ok. pół metra i zewnętrznej średnicy zbliżonej do milimetra, pokryta od wewnątrz warstewką ditlenku tytanu i nawinięta na szklaną bagietkę. Poddawana przetwarzaniu ciecz jest wtłaczana do wnętrza rurki za pomocą zewnętrznej, niewielkiej pompy dozującej i wchodzi w reakcje z fotokatalizatorem uaktywnionym światłem.

Dobierając grubość warstwy nanocząstek TiO₂ (na etapie jej osadzania w obecności ultradźwięków), a także modyfikując długość rurek czy szybkość przepływu, można wpływać na skład chemiczny cieczy wypływającej z mikroreaktora.

Możliwości mikrofotoreaktorów na pozór nie są duże: dziennie pojedynczy układ jest w stanie wytwarzać zaawansowane produkty chemiczne w ilościach rzędu miligramów. Na szczęście poszczególne urządzenia mają niewielkie rozmiary. Na powierzchni biurka można więc umieścić setki, jeśli nie tysiące takich aparatów, skalując wydajność produkcji adekwatnie do potrzeb.

Trzeba jedynie pamiętać, żeby każdemu mikrofotoreaktorowi zapewnić oświetlenie o odpowiedniej długości fali i wystarczająco intensywne, by zainicjować reakcje fotokatalityczne. W praktyce w objętości zajmowanej przez nieco większy smartfon można umieścić kilkanaście pojedynczych fotoreaktorów. Gdyby ich zadaniem było na przykład oczyszczanie wody, mogłyby dziennie dostarczyć ją w ilości nawet kilku litrów. W naszej najnowszej publikacji pokazaliśmy, że w mikrofotoreaktorach można w warunkach przepływowych skutecznie oczyszczać wodę z zanieczyszczeń fenolami. Ale w laboratorium mamy już zrealizowane eksperymenty, w trakcie których używaliśmy roztworów zawierających modelowe związki składników ligniny, substancji bardzo bogatej chemicznie, lecz będącej jednym z bardziej uciążliwych odpadów przemysłu papierniczego. Tu rezultatem pracy mikrofotoreaktorów były związki chemiczne o dużej wartości dodanej: półprodukty, z których można syntetyzować cenne leki czy substancje zapachowe – mówi dr Vaishakh Nair, przebywający w IChF PAN na stażu podoktorskim. W trakcie testów w IChF PAN wykazano, że wewnętrzne pokrycia ditlenkiem tytanu są trwałe. Co prawda mogą ulegać zabrudzeniu, lecz nie jest to problem z uwagi na właściwości TiO₂, w razie potrzeby oczyszczenia, rurkę wystarczy po prostu wystawić na pewien czas na działanie światła.

Niewielkie rozmiary, zdolność do ciągłej pracy w warunkach przepływu i możliwość łatwego rozbudowywania instalacji czynią nowe fotoreaktory świetnymi kandydatami na układy regenerujące do systemów z obiegiem zamkniętym, takich jak statki kosmiczne. Dodatkowym argumentem na rzecz ich wykorzystania w technologiach kosmicznych jest fakt, że poza atmosferą światło słoneczne jest znacznie bardziej intensywne. Oznacza to, że reakcje fotokatalityczne w kosmosie będą mogły przebiegać wydajniej niż na Ziemi.

Szersze omówienie zagadnień i perspektyw związanych z mikrofotoreaktorami przepływowymi grupa dr. Colmenaresa zamieściła ostatnio w obszernym przeglądzie, opublikowanym w jednym z najbardziej prestiżowych czasopism naukowych Chemical Society Reviews brytyjskiego Królewskiego Towarzystwa Chemicznego.

Opisywane badania sfinansowano z grantu SONATA BIS (projekt 2015/18/E/ST5/00306) Narodowego Centrum Nauki. Informacja prasowa zrealizowana ze środków europejskiego grantu ERA Chairs w ramach programu Horizon 2020.

« powrót do artykułu