Projekti / Programi
Fotokatalitsko čiščenje vode - razvoj pritrjenih katalizatorjev in kompaktnih reaktorskih
sistemov
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.04.03 |
Naravoslovje |
Kemija |
Anorganska kemija |
| 2.20.00 |
Tehnika |
Vodarstvo |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| P003 |
Naravoslovno-matematične vede |
Kemija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.04 |
Naravoslovne vede |
Kemija |
| 2.07 |
Tehniške in tehnološke vede |
Okoljsko inženirstvo |
TiO2 fotokatalizator, Al2O3 nosilec, modularni fotokatalitski reaktor, čiščenje vode, organska mikroonesnažila
Raziskovalci (23)
Organizacije (5)
Povzetek
Voda predstavlja eno najpomembnejših sestavin za življenje in ima velik vpliv na vse vidike živih bitij, vključno z zdravjem, energijo in hrano. Izpuščanje antibiotikov, čistil, pesticidov, težkih kovin, aditivov ali ostalih onesnaževal, najdenih v hrani, farmacevtskih izdelkih in izdelkih za osebno nego, vodi k onesnaženju naravnega vodnega okolja.
Biološka obdelava, kemijska precipitacija in koagulacija, termična obdelava/sežiganje, adsorpcija, ionska izmenjava, ravnanje z blatom in ostali postopki obdelave so tehnike, ki so bile razvite za odstranjevanje onesnaževal iz vode. Vendar so v primeru težje razgradljivih organskih onesnažil manj učinkovite ali neučinkovite. Posledično se zaradi tega v centralnih čistilnih napravah lahko nekatere snovi pojavljajo v višjih koncentracijah in ogrožajo njihovo pravilno delovanje, poleg tega so mnoge le deloma odstranjene in tako preko blata ali vode prehajajo v okolje, kjer imajo škodljive učinke na ekosisteme. Potrebno je torej razviti nove tehnologije, ki bi vodo pred izpustom dodatno očistile. Postopki čiščenja pa morajo biti stroškovno dovolj učinkoviti za obsežne obdelave odpadnih voda.
Pri čiščenju težje razgradljivih snovi iz vode se vedno pogosteje poslužujemo naprednih oksidativnih procesov, od katerih je zelo obetavna fotokataliza z uporabo polprevodnikov (npr. TiO2). Proces fotokatalize lahko popolnoma mineralizira (pretvori v CO2 in vodo) vsa organska onesnažila in patogene mikroorganizme ter tako naredi vodo varno za izpust v naravno okolje ali celo pitje. Tako ima potencial zmanjšati negativen vpliv človeka na vodna telesa in povezane ekosisteme, iz pitne vode lahko odstrani pesticide, ki na kmetijskih območjih stekajo v podtalnico, na območjih s pomanjkanjem pitne vode pa lahko omogoči njeno ponovno uporabo.
Fotokatalitski materiali so že dobro raziskani, pred dejansko implementacijo tehnologije pa je potrebno razviti tudi učinkovite reaktorske sisteme, ki bodo omogočali njihovo uporabo. Tako je cilj pričujočega projekta razviti modularni fotokatalitski reaktorski sistem za čiščenje odpadne vode ali za predpripravo pitne vode. V reaktorju bo katalizator na osnovi TiO2 pritrjen na inertni nosilec (Al2O3, steklo) različnih geometrij (monoliti, majhne kroglice), saj z imobilizacijo zmanjšamo možnost prehajanja nanodelcev katalizatorja v vodno okolje in olajšamo njegovo regeneracijo. Katalizator bomo aktivirali z uporabo UV LED sijalk, ki so bolj kompaktne in imajo boljšo pretvorbo električne energije v svetlobo od klasičnih UV žarnic. Projekt je vsebinsko razdeljen na tri glavne dele: (i) priprava in testiranje imobiliziranega fotokatalizatorja, (ii) izdelava reaktorskega sistema ter (iii) testiranje reaktorskega sistema na modelnih in realnih odpadnih vodah. Predlog projekta tako predstavlja nadaljnji korak pri implementaciji obetavne fotokatalitske tehnologije, ki dokazano deluje.
S pomočjo industrijskega partnerja in centralne čistilne naprave bomo razvili in izdelali prototip fotokatalitskega reaktorja, njegovo delovanje pa v končni fazi preverili na realnih odpadnih vodah. Ključnega pomena bo tudi dokazati, da se fotokatalizator in ostali materiali v reaktorju ne spirajo v vodo, ampak da je voda na koncu dejansko čista.
Pomen za razvoj znanosti
Področje fotokatalize za namene čiščenja vode se srečuje s poplavo znanstvenih člankov o novih, izboljšanih katalitskih materialih, ki jih znamo dodobra okarakterizirati z zmogljivo raziskovalno opremo in jim določiti aktivnost v laboratorijskih reaktorjih. Pri tem uporabimo čiste vodne raztopine modelnih onesnaževal, največkrat različnih barvil ali fenola. Da bi izrabili potencial vrste uveljavljenih in novih fotokatalitskih materialov, ki so osnova za pogon znanstvenega napredka, moramo narediti korak dlje. Učinkovitost implementacije fotokatalitske tehnologije v reaktorskih sistemih za čiščenje realnih vod, onesnaženih s trdovratnimi novodobnimi onesnaževali, zaostaja za razvojem materialov. Projekt, ki ga predlagamo, bo prispeval k zmanjšanju tega zaostanka. Razvoj zmogljivega modularnega reaktorskega sistema za odstranjevanje mikroonesnažil iz vode ima ravno tako kot razvoj fotokatalitskega materiala velik pomen za znanost in stroko. Pri tem pa je nujen interdisciplinarni pristop in povezovanje s tujimi raziskovalnimi skupinami, ki so navedene v tretji točki prijavnega obrazca. Sodelavec FKKT in član projektne skupine dr. Andraž Šuligoj je trenutno kot Fulbrightov štipendist na petmesečnem gostovanju na Univerzi v Cincinnatiju pri prof. Dionysiou, enemu od vodilnih znanstvenikov na svetu s področja fotokatalitske razgradnje mikroonesnažil. Na tem področju sodelujemo tudi z Univerzo v Zagrebu (tekoči bilateralni projekt), medtem ko bomo s skupino na Univerzi v Padovi nadaljevali sodelovanje pri karakterizaciji katalizatorja. Projekt bo doprinesel k novim znanjem na področju fotokatalitskega čiščenja vod in omogočil še več skupnih znanstvenih objav, ki pa bodo bolj usmerjene v inovativne rešitve pri izgradnji reaktorskega sistema in testiranje njegove učinkovitosti pri odstranjevanju vse bolj perečih mikroonesnažil (v angleščini se je uveljavil izraz »contaminants of emerging concern«, CEC).
Pomen za razvoj Slovenije
Koncern Kolektor deluje v treh panogah: avtomobilska tehnika, energetika in industrijska tehnika ter stavbna tehnika in izdelki za dom. Strategija koncerna od 2015 do 2019 v »SWOT« analizi Energetike in industrijske tehnike pod »Priložnosti« med drugim predvideva povečan pomen ekologije in iz tega izhajajoč razvoj novih izdelkov in storitev ter razvoj novih materialov in tehnologij. Predlagani projekt s ciljem razviti učinkoviti reaktorski sistem za dopolnilno (fotokatalitsko) čiščenje odpadnih vod in posledično boljšim gospodarjenjem z vodo tako sovpada s strategijo Koncerna Kolektor.
Kolektor je do leta 2000 deloval kot visoko specializirano podjetje v zelo ozki tržni niši – proizvodnji komutatorjev za DC motorje, kjer še vedno ostaja svetovno največji proizvajalec. Ker proizvodnja komutatorjev ni omogočala nadaljnje rasti, je bila diverzifikacija proizvodnega programa nujna in Kolektor je pričel vstopati v nove tržne niše. Tako Kolektor redno spremlja priložnosti, ki so posledica povečanega pomena ekologije, razvoja novih materialov in tehnologij, kamor nedvomno spada pričujoči predlog projekta.
Na področju Avtomatizacije in infrastrukturnih tehnologij že tržijo sisteme za čiščenje in obdelavo vode – torej delujejo na področju, na katerega se nanaša projekt. Kot tehnologije za čiščenje vode ponujajo fizikalno kemijske postopke, filtracijo oz. ultrafiltracijo, ionsko izmenjavo in reverzno osmozo. V podjetju Kolektor se zavedajo, da je investiranje v t.im. zelene tehnologije nujno in v prihodnosti ključnega pomena. Zato se stalno išče nove priložnosti v naprednih tehnologijah, ki lahko izboljšajo obstoječe procese.
Uporaba fotokatalize za čiščenje vod je lahko dodatek ostalim sistemom čiščenja in je namenjena popolni dezinfekciji in odstranitvi tudi obstojnih organskih onesnažil, kot so pesticidi, farmacevtiki, barvila… Najbolj pride do izraza, če se jo uporabi kot zadnji korak v postopku čiščenja, po uporabi primarnih in sekundarnih čistilnih postopkov. Fotokataliza tako predstavlja tehnološko napreden dodatek k sistemom za čiščenje vode, zato je vključitev JP Centralne čistilne naprave Domžale – Kamnik v projekt logična.
Tehnologije proizvodnje in izrabe fotokatalizatorjev v novih reaktorskih sistemih za čiščenje vode so tako za obe podjetji izredno zanimive. Predstavljajo enega najboljših načinov za ohranjanje kvalitete voda in okolja v času, ko dostop do čiste pitne vode postaja vedno večji problem na svetu. Pričakujemo lahko torej povečanje zanimanja za fotokatalizo in podobne tehnologije. Prav zato je sodelovanje pri aplikativnih raziskavah na tem področju za Kolektor izrednega pomena, saj to omogoča pravočasni vstop v tržne niše, ki se kot posledica na novo razvitih tehnologij lahko pojavijo. Sodelovanje FKKT UL s Kolektorjem in Centralno čistilno napravo Domžale – Kamnik je sicer že vzpostavljeno preko različnih meritev, ki smo jih izvajali za oba naročnika.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo
