חוקרים מאוניברסיטת פיטסבורג, אוניברסיטת דרקסל והמעבדה הלאומית ברוקהייבן חוקרים ייצור אוזון אלקטרוכימי (EOP) כדי ליצור חלופה בת קיימא לחיטוי מים על בסיס כלור. עבודתם מתמקדת בהבנת התהליכים המולקולריים מאחורי EOP לפיתוח זרזים יעילים וחסכוניים. תגליות אחרונות מצביעות הן על פעילות קטליטית והן על קורוזיה בזרזים קיימים, מה שמציע כיוונים חדשים לשיפור הטכנולוגיה והרחבת היישום שלה בקנה מידה עולמי. קרדיט: twoday.co.il.com
מהנדסים מפיט, דרקסל וברוקהייבן פתרו את תעלומת "קטליזה לעומת קורוזיה" בייצור אוזון אלקטרוכימי.
חוקרים מאוניברסיטת פיטסבורג, אוניברסיטת דרקסל בפילדלפיה והמעבדה הלאומית ברוקהייבן משתפים פעולה כדי לפענח תעלומה מורכבת שמטרתה להפוך טיפולי חיטוי מים לברי קיימא.
טכנולוגיות ייצור אוזון אלקטרוכימי ניתנת להרחבה (EOP) לחיטוי מים מלוכלכים עשויות יום אחד להחליף טיפולי כלור מרכזיים המשמשים כיום, בין אם בערים מודרניות ובין אם בכפרים מרוחקים. עם זאת, מעט מאוד מובן על EOP ברמה המולקולרית וכיצד ניתן להפוך טכנולוגיות המאפשרות להיות יעילות, חסכוניות ובר-קיימא.
המחקר שלהם פורסם לאחרונה בכתב העת קטליזה של ACS. המחבר הראשי הוא תלמיד הדוקטורט של Drexel Rayan Alaufey, עם חוקרים תורמים מ-Drexel, כולל שותפה PI מורין טאנג, פרופסור חבר להנדסה כימית וביולוגית, חוקר פוסט-דוקטורט אנדרו לינדזי, סטודנט לדוקטורט Tana Siboonruang, ועזרא ווד, פרופסור חבר לכימיה; שותף ב-PI John A. Keith, פרופסור חבר להנדסת כימיה ונפט, וסטודנט לתואר שני Lingyan Zhao מפיט; וצ'ין וו מברוקהייבן.
משחק גומלין בין קורוזיה זרז לבין מיני חמצן תגובתיים הומוגניים בייצור אוזון אלקטרוכימי. קרדיט: ACS Catal. 2024, 14, 9, 6868-6880
היתרונות של אוזון על פני כלור
"אנשים השתמשו בכלור לטיפול במי שתייה מאז ה-19ה' המאה, אבל היום אנחנו מבינים טוב יותר שכלור לא תמיד הוא האפשרות הטובה ביותר. EOP למשל יכול לייצר אוזון, מולקולה בעלת כוח חיטוי בערך כמו כלור, ישירות במים. בניגוד לכלור שנמשך ביציבות במים, האוזון במים מתפרק באופן טבעי לאחר כ-20 דקות, כלומר יש סיכוי נמוך יותר לפגוע באנשים בעת צריכת מים בברז, בעת שחייה בבריכה, או בעת ניקוי פצעים בבית חולים", הסביר. קית', שהוא גם עמית פקולטה לאנרגיה של RK מלון בבית הספר להנדסה סוונסון של פיט.
"EOP לחיטוי בר-קיימא יהיה הגיוני מאוד בשווקים מסוימים, אבל לעשות את זה דורש זרז טוב מספיק, ומכיוון שאף אחד עדיין לא מצא זרז EOP טוב מספיק, EOP יקר מדי וצורך אנרגיה לשימוש רחב יותר. הקולגות שלי ואני חשבנו שאם נוכל לפענח ברמה האטומית מה גורם לזרז EOP בינוני לעבוד, אולי נוכל להנדס זרז EOP טוב עוד יותר".
חקירת היעילות של זרזים של נאט"ו
פתרון התעלומה של אופן פעולתם של זרזי EOP חיוני בהבנה כיצד להנדס טוב יותר את אחד מזרזי ה-EOP המבטיחים והפחות רעילים שידועים עד כה: תחמוצת בדיל מסוממת בניקל ואנטימון (Ni/Sb–SnO2, או NATO).
בכך, אמר קית, טמונה החידה: מה זה כל אָטוֹםתפקידו של נאט"ו לעשות כדי לעזור ל-EOP? האם האוזון נוצר באופן קטליטי בדרכים שאנו רוצים שייווצר, או שהוא נוצר בגלל שהזרז מתפרק, וצריך לעשות עבודה עתידית כדי להפוך את הזרזים של נאט"ו ליציבים יותר?
ייצוג של ייצור אוזון חשמלי וחקירה של מה באמת קורה ברמה המולקולרית. קרדיט: ג'ון קית'
באופן מפתיע גילו החוקרים שזה כנראה שילוב של שניהם.
על ידי שימוש בניתוחים אלקטרוכימיים ניסיוניים, ספקטרומטריית מסה ומידול כימיה קוונטית חישובית, החוקרים יצרו "קו עלילה בקנה מידה אטומי" כדי להסביר כיצד אוזון נוצר על זרזים חשמליים של נאט"ו. בפעם הראשונה, הם זיהו שחלק מהניקל בנאט"ו כנראה נשלף מהאלקטרודות באמצעות קורוזיה, ואטומי הניקל הללו, הצפים כעת בתמיסה ליד הזרז, יכולים לקדם תגובות כימיות שבסופו של דבר מייצרות אוזון.
"אם אנחנו רוצים ליצור זרז חשמלי טוב יותר, אנחנו צריכים להבין אילו חלקים עובדים ולא עובדים. גורמים כמו שטיפת יוני מתכת, קורוזיה ותגובות שלב התמיסה יכולים לתת את המראה שזרז פועל בכיוון אחד כאשר למעשה הוא פועל בדרך אחרת."
קית' ציין כי זיהוי השכיחות של קורוזיה ותגובות כימיות המתרחשות הרחק מהזרז הם צעדים חשובים להבהרה לפני שחוקרים אחרים יכולים להמשיך בשיפורים ב-EOP ובתהליכים אלקטרוקטליטיים אחרים. במסקנתם, הם מציינים כי "זיהוי או הפרכת קיומם של אילוצים טכנולוגיים בסיסיים כאלה יהיו קריטיים לכל יישומים עתידיים של EOP ותהליכי חמצון אלקטרוכימיים מתקדמים אחרים".
"אנחנו יודעים שטיפול במים אלקטרוכימי עובד בהיקפים קטנים, אבל הגילוי של זרזים טובים יותר יגביר אותו לקנה מידה עולמי. השלב הבא הוא מציאת שילובים אטומיים חדשים בחומרים עמידים יותר בפני קורוזיה אך גם מקדמים EOP בר-קיימא מבחינה כלכלית ובת-קיימא", אמר קית.
המחקר מומן על ידי הקרן הלאומית למדע בארה"ב.
