Катализатор удаляет нитраты из воды

Химики из американского Университета Райса разработали катализатор, который очищает питьевую воду от нитратов, превращая их в смесь азота и кислорода («ACS Catalysis», 2018,8, 1, 503—515, doi: 10.1021/acscatal.7b01371).

Сегодня главный источник нитратов в воде — сельское хозяйство. Посевы растений усваивают не все азотные удобрения (и синтетические, и органические), а поскольку нитраты хорошо растворяются, они попадают с грунтовыми водами в водоемы. Это опасно и для окружающей среды, и для здоровья человека. Содержание и нитратов, и нитритов в воде во всех странах регулируется на законодательном уровне. По нормам СанПиН РФ предельно допустимая концентрация в воде для нитратов — 50,0 мг/л. Если ПДК превышает допустимые значения, нитраты стараются удалить из воды с помощью ионообменных фильтров. Проблема в том, что регенерацию таких фильтров проводят, промывая их раз в несколько месяцев водой, а промывные воды опять возвращают в окружающую среду, при этом концентрация нитратов в них, понятно, становится выше, чем в той воде, которую очищали.

Схема работы нового катализатора, который успешно борется с нитратами

Лаборатория Майкла Вонга разрабатывает эффективные катализаторы на основе наночастиц металлов. Ранее Вонг с коллегами продемонстрировал, что наночастицы золота, легированные атомами палладия, ускоряют разрушение нитрит-ионов. Нитриты (NO₂^–) — это продукты восстановления нитратов (NO₃^–), но они более токсичны, чем нитраты (их ПДК по СанПиН — 0,5 мг/л). Наночастицы золото-палладия оказались бесполезными для разрушения нитратов, поэтому исследователи решили протестировать палладиевые наночастицы, легированные индием. Оказалось, что они вполне способны справиться с каталитическим восстановлением нитратов, только для этого необходимо пропускать через воду водород. Наибольшую каталитическую активность проявили частицы, в которых до 40% поверхности палладиевой сферы было покрыто атомами индия, — их эффективность на 50% превышала все описанные в литературе примеры катализаторов.

Химики из Университета Райса вместе с Джеффри Миллером из Университета Пердью и Ларсом Грэбоу из Университета Хьюстона изучили механизм новой каталитической реакции. Результаты исследования позволили сделать вывод: в тандеме палладий — индий непосредственно отвечает за разрушение нитратов индий, а палладий помогает ему восстанавливаться. В процессе реакции индий окисляется, а когда через раствор пропускают ток водорода, палладий способствует переносу кислорода с индия на водород — при этом образуется вода, а индий регенерируется и снова способен взаимодействовать с нитратами.

В настоящее время Вонг ведет переговоры с представителями промышленности, надеясь в скором времени запустить экспериментальную каталитическую систему на настоящей станции водоочистки.

Эта статья доступна в печатном номере "Химии и жизни" (№ 3/2018) на с. 10 — 11.