Eko-elektrody z Politechniki Gdańskiej oczyszczą ścieki z pozostałości leków

Zespół naukowców z PG opracował elektrody, które mogą skutecznie utleniać związki farmaceutyczne powszechnie wykrywane w ściekach. Są nie tylko innowacyjne technologicznie, ale i bardziej zrównoważone w produkcji. Ponadto łatwiej je zagospodarować po zakończeniu eksploatacji niż te dostępne obecnie na rynku. Wyniki badań zostały opublikowane w „Nano-Micro Letters”, jednym z czołowych czasopism w tej dziedzinie.

Celem interdyscyplinarnego zespołu naukowców i doktorantów z trzech wydziałów PG było opracowanie nowej metody wytwarzania trwałych, wysokowydajnych elektrod węglowych drukowanych w 3D, które mogłyby być stosowane zarówno do elektrochemicznego oczyszczania ścieków, jak i do czułych pomiarów pozwalających na wykrycie nawet śladowych ilości substancji.

– Komercyjnie dostępne przewodzące filamenty do druku 3D, czyli tworzywa, które w procesie druku 3D jest topione i następnie nakładane warstwa po warstwie, mają zwykle ograniczenia: nie wytrzymują wysokich temperatur ani agresywnych środowisk chemicznych, a dodatkowo wymagają procesów wstępnej aktywacji, co komplikuje ich użycie do elektorchemicznego utleniania związków obecnych w ściekach – mówi dr Mattia Pierpaoli, prof. PG z Wydziału Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki PG, kierownik projektu. – Aby przezwyciężyć te ograniczenia zaproponowaliśmy nową strategię dwuetapową wytwarzania elektrod i wykazaliśmy, że mogą skutecznie utleniać trzy związki farmaceutyczne: atenol, metoprol i propranol, które są powszechnie wykrywane w polskich ściekach.

Bez surowców krytycznych

Elektrody stosowane obecnie w oczyszczaniu ścieków lub analizie elektrochemicznej często opierają się na wykorzystaniu surowców krytycznych lub rzadkich metali, które są kosztowne, obciążają środowisko i trudno je utylizować.

– Nasze podejście eliminuje potrzebę stosowania katalizatorów metalicznych oraz podłoża zawierającego surowce krytyczne, umożliwiając bezpośredni wzrost nanostrukturalnego węgla na specjalnie zaprojektowanych strukturach węglowych. Dzięki temu elektrody są nie tylko bardziej zrównoważone w produkcji, ale też łatwiejsze do zagospodarowania po zakończeniu eksploatacji – tłumaczy prof. Mattia Pierpaoli. – Metoda łączy innowacyjne rozwiązania techniczne, czyli możliwość dowolnego projektowania elektrod, z korzyściami dla środowiska, ponieważ nie wykorzystuje rzadkich i toksycznych materiałów.

Do usuwania farmaceutyków i innych mikrozanieczyszczeń

Opracowane na Politechnice Gdańskiej elektrody mogą znaleźć zastosowanie w oczyszczeniu ścieków, zwłaszcza pod kątem usuwania tzw. substancji czynnych farmaceutycznie, a więc np. pozostałości leków oraz innych mikrozanieczyszczeń organicznych.

–  Nasze podejście do wytwarzania nowych materiałów może również znaleźć zastosowanie w tworzeniu biosensorów i w diagnostyce medycznej. Dzięki odpowiedniemu dostosowaniu nanostruktury możemy ograniczyć tzw. „fouling” elektrod, czyli zjawisko ich zanieczyszczania, które obniża efektywność usuwania mikrozanieczyszczeń organicznych i skuteczność czujników. W przypadku czujników podejście to umożliwia uzyskanie bardziej wiarygodnych i czułych wyników w skomplikowanych matrycach takich jak krew, czy mocz – mówi prof. Pierpaoli.

Projekt był realizowany w ramach programu Opus Narodowego Centrum Nauki i łączył różne obszary wiedzy. Doktorantka Iwona Kaczmarzyk prowadziła testy elektrochemiczne oraz charakteryzację materiałów przy wsparciu dr. Pawła Jakóbczyka, prof. Jacka Ryla i prof. Roberta Bogdanowicza. Doktorant Patryk Sokołowski odpowiadał za rozwój technologii druku 3D i metody wytwarzania elektrod. Dr inż. Małgorzata Szopińska zajmowała się opracowaniem metodyk analitycznych, analizą chemiczną i walidacją wyników. Dr Mattia Pierpaoli, prof. PG przeprowadził wstępne symulacje oraz koordynował prace badawcze.

Wyniki projektu zostały opublikowane w „Nano-Micro Letters”, jednym z czołowych, recenzowanych czasopism w tej dziedzinie [IF(2024) = 36.3].