Dekontaminace jedů na oxidech kovů

Kontakt: V. Štengl, Oddělení chemie pevných látek

O oxidech kovů alkalických zemin (Mg a Ca) či lehkých kovů (Al a Ti) je obecně známo, že i v makrokrystalické formě mají schopnost reagovat se standardními otravnými látkami jako je yperit, soman nebo látka VX. Reakce na makrokrystalických oxidech jsou však pomalé a pro vojenskou dekontaminační praxi nevyužitelné. Pokud se ale velikost individuálních částic oxidů zmenší řádově na desítky či až jednotky nanometrů, je možno pozorovat vzrůst jejich měrné reaktivity. Pozorované urychlení heterogenní reakce, která probíhá na povrchu nanokrystalů, bývá vysvětlováno zejména zvýšením podílu vysoce reaktivních míst, jako jsou hrany a rohy krystalů, na nichž je množství tvarových dislokací nebo defektů.

Na hranách jako aktivních místech se rozkládá poměrně rychle, zatímco na „hladkých“ površích pomalu. Pak úplná konverse látky je spíše závislá na rychlosti difúze parní či kapalné fáze dané otravné látky ve směru koncentračního gradientu z méně reaktivních míst na místa, která jsou pro průběh rozkladu příznivější.

Na obrázku nanokrystalu oxidu titaničitého (Obr.1) z vysokorozlišovacího transmisního elektronového mikroskopu je kovový kation (M⁺) znázorněn bíle. Místa kationtů  uvnitř krystalu, která nejsou zobrazena, mají koordinační číslo 6, kationty na povrchu, znázorněné modře, mají koordinační číslo 5, kationty na hranách, znázorněné červeně, mají koordinační číslo 4 a konečně kationy v rozích, znázorněné zeleně, mají koordinační číslo 3. Povrchové defektní mezery (vyznačeno šipkou) také snižují koordinační číslo okolních iontů. Čím nižší je koordinační číslo kationtových míst, tím je obecně vyšší jejich reaktivita. Tato jedinečná morfologie nanokrystalů tedy umožňuje jejich vysokou reaktivitu. Předpokládá se, že degradace molekuly otravné látky se odehrává ve dvou krocích, nejdříve probíhá fyzikální sorpce, poté následuje chemický rozklad.

Na rozdíl od běžně používaných sorbentů, např. aktivního uhlí nebo zeolitů, které mohou polutanty pouze adsorbovat na povrch, ale nikdy je chemicky nerozloží, nanokrystalické materiály nejenže polutanty odstraní, ale také je chemicky rozloží.

Nanokrystalické materiály tedy běžně nepůsobí jako katalyzátory, ale jako stechiometrická činidla. Jejich reaktivní povrch se rychle vyčerpá a kinetiku procesu degradace otravné látky nebo polutantu nadále určuje její pomalá difúze do hloubky nanodisperzní částice (z tohoto důvodu mají kinetické křivky rozkladu na začátku rychlejší průběh). Závislost rozkladu c/c₀ pro yperit, soman a látku VX v závislosti na době reakce pro nanodispersní anatas je uveden na Obr. 2.

Nanodispesní materiály pro stechiometrickou degradaci BChL byly připravovány metodou homogenní hydrollýzy pomocí močoviny nebo 2-cchloroacetamidu. Testování účinnosti připravených nanodispersních oxidů bylo provedděno v rámci spolupráce s Vojenským technickým ústavem ochrany Brno

Zkušenosti získané při přípravě materíálů pro stechiometrický rozklad bojových otravných latek jako je yperit, soman nebo láka VX budou dále rozvíjeny a aplikovány v ramci projektu GACR na stechiometrický rozklad pesticidů ve spolupráci s UJEP.

Vybrané publikace

• V. Štengl, J. Bludská, F. Opluštil et al., Mesoporous titanium-manganese dioxide for sulphur mustard and soman decontamination, MATERIALS RESEARCH BULLETIN 46(11) 2050-2056, 2011
• V. Štengl, T. Matys Grygar, F. Opluštil et al., Sulphur mustard degradation on zirconium doped Ti-Fe oxides, JOURNAL OF HAZARDOUS MATERIALS 192(3) 1491-1504, 2011
• V. Štengl, V. Houšková, S. Bakardjieva et al., Zirconium doped nano-dispersed oxides of Fe, Al and Zn for destruction of warfare agents, Stengl Vaclav; Houskova Vendula; Bakardjieva Snejana; et al., MATERIALS CHARACTERIZATION 61(11) 1080-1088, 2010
• V. Štengl, M. Maříková, S. Bakardjieva et al., Reaction of sulfur mustard gas, soman and agent VX with nanosized anatase TiO₂ and ferrihydrite, JOURNAL OF CHEMICAL TECHNOLOGY AND BIOTECHNOLOGY 80(7) 754-758, 2005

Projektová podpora:

• MPO 1H-PK2/56 - Nanodispersní oxidy pro destrukci bojových otravných látek (2004 - 2009)
• MPO FI-IM5/231 - Realizace nových nanostruktur z nanodispersíich oxido-bisulfidů Ti, Cd, Zn jako aktivní materiály pro degradaci bojových otravných látek (2008 - 2010)
• GA ČR P106/12/1116 Nanokrystalické oxidy kovů pro bezpečnou a rychlou degradaci organofosforečných pesticidů (2012-2014)