Razvijeni novi mamci za onečišćujuće tvari u vodama

Strategija „Namami, upecaj i uništi“

Obrada otpadne vode fotokatalitičkim naprednim oksidacijskim procesima nije svjetski novitet, no istraživanja vezana za to područje i dalje su aktualna. Tim procesima moguće je ukloniti mikroonečišćivala, poput farmaceutika i pesticida, koja se ne uklanjaju u potpunosti konvencionalnim načinom obrade. Ipak, i oni imaju nedostatke s kojima su se pozabavili američki istraživači sa Sveučilišta Rice te ponudili obećavajuće rješenje.

Istraživači su kreirali polimernu podlogu sposobnu za „hvatanje“ biološki štetnih onečišćujućih tvari iz vode kroz strategiju koja je slikovito nazvana „namami, upecaj i uništi“ (engl. „bait, hook, and destroy“). Svoje istraživanje objavili u časopisu Environmental Science and Technology.

Ispitivanja s otpadnom vodom pokazala su da polimerni sloj može učinkovito ukloniti ciljane onečišćujuće tvari, u ovom slučaju nekoliko biološki štetnih endokrinih disruptora, koristeći samo dio energije zahtijevane drugom poznatom tehnologijom sa suspenzijom. Ovom tehnikom može se također tretirati i voda za piće.

Učinkovitost polimernog sloja ovisi o sposobnosti najčešće korištenog fotokatalizatora, poluvodiča titanijevog dioksida, za „hvatanje“ onečišćujućih tvari i mogućnosti njihove razgradnje oksidacijom u bezopasne nusprodukte pri izlaganju svjetlu.

Titanijev dioksid već se koristi u nekim sustavima za obradu otpadnih voda i to u obliku suspenzije. Otpadna voda sa suspendiranim fotokatalizatorom izlaže se ultraljubičastom zračenju kako bi se potaknule reakcije razgradnje prisutne onečišćujuće tvari. Titanijev dioksid je pri završetku procesa obrade potrebno izdvojiti iz vode filtracijom.

Učinkovita kombinacija fotokatalizatora i polimera

Polimerna podloga, izrađena od finih polivinilnih vlakana, pojednostavljuje ovaj fotokatalitički proces. Podloga je visoko porozna što je postignuto dodavanjem malih plastičnih kuglica (perli) unutar materijala koje se kasnije otapaju kemikalijama. Porama se stvara veća površina polimernog sloja za smještanje čestica titanijevog dioksida.  

Hidrofobna vlakna polimerne podloge (izbjegavaju vodu) prirodno privlače hidrofobne onečišćujuće tvari poput endokrinih disruptora koji su korišteni u ovim ispitivanjima. Izlaganjem takvog sustava svjetlosti dolazi do aktiviranja fotokatalizatora titanijevog dioksida vezanog na polimernom sloju, čime dolazi do stvaranja reaktivnih kisikovih vrsta (ROS) koje zatim oksidiraju prisutne onečišćujuće tvari.  

Istraživači navode kako se ovakva polimerna podloga može nakon korištenja očistiti i ponovno upotrijebiti u bilo kojem mjerilu, a kemijski mehanizam samih reakcija može se prilagoditi za različite onečišćujuće tvari.

Nedostaci procesa i njihova nadopuna

„Trenutni procesi fotokatalitičke obrade vode imaju dva ograničenja“, navodi Pedro Alvarez, inženjer ekoinženjerstva na Sveučilištu Rice i Rice-led Nanotechnology-Enabled Water Treatment (NEWT) centru.

Jedna od mana ovoga procesa je smanjenje učinkovitosti zbog pojave scavenger efekta (reakcija reaktivnih oksidirajućih čestica s drugim prisutnim tvarima kojih je količinski više nego ciljanje onečišćujuće tvari, čime je smanjena njihova oksidacija).

Drugo, zadržavanje fotokatalizatora unutar otopine, njegovo izdvajanje iz suspenzije pri završetku obrade te sprječavanje njegovog curenja u obrađenu vodu dosta je skupo. U nekim slučajevima, energetski troškovi filtriranja suspenzije fotokatalizatora veći su od onih potrebnih za napajanje UV lampi.

„Oba ograničenja riješili smo imobilizacijom fotokatalizatora na polimernu podlogu čime ga je lakše ponovno upotrijebiti i zadržati“, rekao je Alvarez. „Takvom konstrukcijom sustava spriječeno je curenje fotokatalizatora van polimerne podloge i njegov utjecaj na vodu.“

Prema Alvarezu, porozni polimerni sloj ima važnu ulogu zbog toga što privlači ciljane onečišćujuće tvari iz vode. „Podloga je mamac i udica“, navodi. „Kada porozna polimerna podloga „uhvati“ onečišćujuću tvar, nastali reaktivni hidroksilni radikali je oksidiraju i na taj način prevode u biološki bezopasne komponente.“

„Pore nano veličina dobivene su otapanjem odabranog polimera na polimernim vlaknima dobivenim spajanjem niti polimernih otopina djelovanjem električne sile (engl. electro spinning)“, navodi Chang-Gu Lee, glavni autor istraživanja i bivši postdoktorski istraživač s Rice-a. „Pore povećavaju pristup onečišćujuće tvari titanijevom dioksidu.“

Zadovoljavajuća učinkovitost uz manje energetske zahtjeve

Eksperimenti su pokazali drastično smanjenje energetski zahtjeva u usporedbi s pročišćavanjem otpadne vode pomoću suspenzije.

„Ne samo da je uklanjanje onečišćujuće tvari brže, već je i značajno smanjena količina električne energije po redu reakcije“, navodi Alvarez. „Ovo je mjera koliko je potrebno energije za uklanjanje jednog reda veličine onečišćujuće tvari te koliko kilovat sati za 90 ili 99-postotno uklanjanje.“

„Rezultati pokazuju da se pri obradi vode procesom sa suspendiranim fotokatalizatorom, od obrade destilirane prema obradi otpadne vode, količina potrebne energije povećala 11 puta. S druge strane, pri obradi istih voda procesom s imobiliziranim „mamac-i-udica“ fotokatalizatorom, energetski zahtjevi povećali su se samo dva puta. To je značajna ušteda.“

Također, polimerna podloga postrojenjima za obradu otpadnih voda omogućit će uklanjanje onečišćujućih tvari u dva odvojena koraka, što nije moguće u obradi sa suspendiranim fotokatalizatorom.

„Ova vrsta obrade poželjna je kod mutnih voda gdje je prodiranje svjetlosti pravi izazov. Moguće je „uhvatiti“ onečišćujuću tvar apsorbirajući je na polimerni sloj i tako je prebaciti u drugi reaktor s čišćom vodom gdje se ona može ukloniti. Zatim se polimerni sloj očisti i vrati nazad u neobrađenu vodu tako da može hvatati još onečišćujućih tvari“, objašnjava Alvarez.

Podešavanje polimerne podloge uključuje promjenu njezinih hidrofobnih i hidrofilnih svojstava kako bi ona odgovarala ciljanim onečišćujućim tvarima. „Tako je moguće obraditi veće količine vode s manjim reaktorom koji je selektivniji. Minimiziranjem veličine reaktora smanjuje se njihov ugljični otisak“, navodi Alvarez. „To je prilika da smanjimo, ne samo energetske zahtjeve, već i prostorne zahtjeve fotokatalitičke obrade vode.“

Alvarez smatra kako će sustav s fotokatalizatorom na polimernoj podlozi značajno poboljšati izbor opcija za rješavanje izazova pročišćavanja vode.

Barbara Kalebić / Ekovjesnik

VEZANE VIJESTI

Klimatska kriza mogla bi otežati upijanje vode u tlo

Istraživači upozoravaju kako bi klimatska kriza mogla smanjiti mogućnost upijanja vode u tlo u mnogim dijelovima svijeta što bi moglo imati ozbiljne posljedice na zalihe podzemne vode, proizvodnju i sigurnost hrane, otjecanje kišnice, bioraznolikost i ekosustave.

Uklanjanje lijekova za anksiozne poremećaje iz otpadnih voda

Konvencionalna postrojenja za obradu otpadnih voda često ne mogu učinkovito ukloniti farmaceutike, tj. lijekove  i ostale tzv. „nove onečišćujuće tvari“ iz otpadnih voda. Međutim, razvojem nove metode koja koristi nanovlakna omogućuje se povoljnije uklanjanje takvih spojeva iz otpadnih voda, a posebice psihoaktivnih farmaceutika koji se koriste za liječenje anksioznih poremećaja.

Potpuno nov način uklanjanja žive iz onečišćene vode

Voda onečišćena živom i drugim toksičnim, teškim metalima jedan je od glavnih uzročnika brojnih okolišnih šteta i zdravstvenih problema diljem svijeta. No, švedski znanstvenici predstavljaju potpuno nov način čišćenja onečišćenih voda i to – elektrokemijskim procesom.

Nanotehnologija u rješavanju problematike obrade voda

Bili smo na obrani doktorskog rada asistenta Marina Kovačića na Fakultetu kemijskog inženjerstva i tehnologije Sveučilišta u Zagrebu. Doktorski rad pod naslovom „Razgradnja farmaceutika u vodi uz nove nanokompozitne fotokatalizatore aktivirane sunčevim zračenjem“ napisao je u sklopu projekta Hrvatske zaklade za znanost. S novim doktorom znanosti kasnije smo i osobno popričali o njegovom radu aktualne tematike iz područja zaštite okoliša.

PRIJAVITE SE NA NEWSLETTER