Kavitacija – rešitev za problematiko mikroplastike?

Raziskovalni projekti so (so)financirani s strani Javne agencije za raziskovalno dejavnost

 

 

• Članica UL: UL Fakulteta za strojništvo
• Šifra projekta: J7-1814
• Naslov: Kavitacija – rešitev za problematiko mikroplastike?
• Trajanje: 01.07.2019 – 30.06.2022
• Letni obseg: 0,72 FTE
• Vodja: doc. dr. Martin Petkovšek
• Veda: Tehniške vede
• Sodelujoče RO: Povezava
• Sestava projektne skupine: Povezava
• Bibliografske reference: Povezava

Vsebinski opis projekta

Srečujemo se z največjim okoljskim problemom – onesnaževanje s plastičnimi odpadki. Odkar so bili izdelani prvi plastični izdelki v petdesetih letih prejšnjega stoletja, se je svetovna proizvodnja različnih vrst plastike nenehno povečevala in leta 2015 dosegla 320 milijonov ton (Cai in sod. 2018). Skupaj z množično proizvodnjo in uporabo plastike se povečuje tudi obremenitev okolja, kopnega in površinskih voda, kjer se plastični odpadki kopičijo. V okolju zavrženi plastični odpadki so izpostavljeni različnim mehanskim, kemičnim in biološkim procesom (Andrady 2011), ki vodijo do njihovega razpadanja in drobljenja na manjše kose (Cai in sod. 2018).

Izraz “mikroplastika” se je prvič pojavil v literaturi leta 2004 (Thompson in sod. 2004). Leta 2008 je bila določena velikost delcev in predlagano je bilo, da izraz mikroplastika obsega majhne plastične kose v velikosti do 5 mm v premeru (Fendall in Sewell 2009; Betts 2008; Moore 2008). Danes izraz mikroplastika vključuje razgrajene plastične odpadke, sintetična vlakna, delce pnevmatik, kroglice, ki se uporabljajo v izdelkih za osebno higieno in številne druge oblike. Na splošno razlikujemo dve vrsti mikroplastike (Sundt in sod. 2014), primarna in sekundarna mikroplastika. Primarna mikroplastika so plastični delci (vlakna, mikrogranule, delci), ki take oblike že vstopijo v okolje, sekundarna mikroplastika pa izhaja iz večjih plastičnih odpadkov in se zaradi mehanske, kemične ali biološke razgradnje uvrsti pod mikroplastiko. Čeprav so bila prva znanstvena poročila o plastičnih odpadkih objavljena že v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja (Carpenter in Smith 1972; Colton in Knapp, 1974), znanstvena skupnost takrat ni izrazila resne skrbi glede te problematike (Andrady 2011). V naslednjih desetletjih se je nabralo veliko znanstvenih poročil, ki so pokazala, da prisotnost mikroplastike v sladki in morski vodi predstavlja veliko tveganje za vodno življenje in potencialno ljudi. Eden izmed pomembnih virov onesnaževanja  z mikroplastiko so čistilne naprave za odpadne vode (ČN) (Murphy in sod. 2016). Najboljše svetovne ocene kažejo, da 80 odstotkov plastičnih odpadkov v oceanih prihaja iz kopenskih virov, ostalo pa zaradi ladijskega prometa (W. C. Li, Tse in Fok 2016).

Kavitacija je napreden oksidacijski proces in je ena izmed obetavnih obdelovalnih tehnik, ki bi se lahko uporabljala za namen razgradnje mikroplastike. Gre za fizikalni pojav, ki opisuje spremembo faze iz kapljevine v plinasto fazo in nazaj v homogeno kapljevino pri približno konstantni temperaturi. Kavitacija se vidi kot nastanek majhnih parnih mehurčkov v kapljevini. Ti nastanejo zaradi lokalnega padca tlaka, ki ob kolapsu sproščajo  izjemne energije, ki lahko vodijo v tvorbo pretežno OH radikalov. Kavitacija se najpogosteje pojavlja na vodnih turbinskih strojih, ventilih in nekaterih delih sistema za vbrizgavanje goriva z motorji z notranjim izgorevanjem in je v večini primerov nezaželen pojav. Kljub temu se kavitacija danes uspešno uporablja za čiščenje površin, v farmacevtski in živilski industriji, za medicinske namene in pripravo nanodelcev. Ekstremni pogoji, ki lahko nastanejo pri kolapsu kavitacijskih mehurčkov, zagotavljajo edinstveno kemično okolje, ki ga je mogoče na različne načine izkoristiti od vodenja kemijskih reakcij (K.S. Suslick 1989) do odstranjevanja organskih mikrolutantov v čistilnih napravah (M. Zupanc in sod. 2014) in mikroorganizmov (Šarc in sod. 2018) ter uničenja virusov (Kosel in sod. 2017).

Eden izmed pomembnejših kontaminacijskih virov z mikroplastiko so ČN. Kritična podskupina primarne mikroplastike so vlakna iz tekstilnih materialov, ki izvirajo iz domačega pranja in se preko čistilnih naprav izlivajo v reke in oceane (Napper in Thompson 2016; Cesa in sod. 2017; De Falco in sod. 2018). Poroča se, da lahko posamezno pranje 5 kg poliestrskih tkanin sprosti več milijonov mikrovlaken, odvisno od pogojev pranja in vrste uporabljenega detergenta (De Falco in sod. 2018). Domači pralni stroji ne prispevajo le k onesnaženju z mikrovlakni iz sintetičnih oblačil (De Falco in sod. 2018), temveč tudi zaradi uporabe mehčalcev. Te najpogosteje vsebujejo mikro sferične kapsule, ki vsebujejo aromatična olja za dolgotrajni vonj oblačil. Ker je uporaba domačih pralnih strojev in sintetičnega tekstila na svetovni ravni vedno večja, je zelo verjetno, da se bo onesnaževanje zaradi pranja oblačil močno povečalo. Večina odpadnih vod iz pralnih strojev se preko kanalizacije steak na ČN in preko njih v površinske vode, reke in oceane. Ko se mikroplastika znajde v naravnem okolju lahko sončni žarki sprožijo postopek fotooksidacije, vendar se degradacija mikroplastike močno zaustavi, ko ni neposredno izpostavljena UV sevanju (npr. pod površino vode ali ko se adsorbira na druge delce).

Faze projekta in njihova realizacija:V okviru predlaganega interdisciplinarnega projekta bo ekipa strojnih in kemijskih inženirjev uporabila napredno tehnologijo – kavitacijo, za izvedbo (enega) prvih poskusov z mikroplastiko. Danes je vrhunska znanost “state of the art” zaznavanje mikroplastike v okolju, s predlaganim interdisciplinarnim projektom pa bomo vrhunsko znanost premaknili na raven, kjer bomo raziskovali potencialne mehanizme razgradnje mikroplastike. Ker se kavitacija lahko pojavi samo v tekočini, se zdi idealna tehnologija za uporabo na mikroplastiki, preden vstopi v vodno okolje (npr. na ČN). Na ta način bi z dosegli razgradnjo mikroplastike vsaj do neke mere in s tem olajšali in pospešili njeno popolno degradacijo v naravnem okolju.

Predlagani projekt je namenjen laboratorijski obravnavi kemične in mehanske razgradnje, enega od trenutno najbolj kritičnih onesnaževalcev na svetu. Obstoječi napredni oksidacijski proces – kavitacijo bomo prilagodili na način, da bomo oksidirali in razgradili mikroplastiko  do stopnje, ki bi bila primerna za lažjo popolno razgradnjo v ČN in / ali naravi. Glavni cilj predlaganega projekta je raziskava učinkov, ki jih bo imela kavitacija na mikrovlakna, ki se sproščajo iz sintetičnih oblačil in mikro sferičnih kapsul iz mehčalcev za tekstil. Oba tipa mikroplastike sta kritična onesnaževalca, ki prihajata iz domačih pralnih strojev.

Predlagani interdisciplinarni projekt bo sestavljen iz različnih delovnih sklopov (DS), od katerih bo vsak vseboval po več nalog. Delovni sklopi bodo vključevali sodelovanje obeh projektnih partnerjev, Fakultete za strojništvo (FS) in Kemijskega inštituta (KI), kjer bo tesno sodelovanje pripeljalo do velikega uspeha.

DS1: Preliminarni eksperimenti z mikroplastiko na trenutno razvitih laboratorijskih kavitacijskih napravah (FS, KI; Mesec 1-6)

DS2: Načrtovanje in razvoj nove hidrodinamske kavitacijske naprave za razgradnjo mikroplastike  (FS; Mesec 6–24)

DS3: Priprava in karakterizacija mikroplastike (KI; Mesec 1-34)

DS4: Testiranje učinkovitosti nove hidrodinamske kavitacijske naprave za razgradnjo mikroplastike (FS, KI; Mesec 18-24)

DS5: Združitev akustične / hidrodinamske kavitacije z drugimi oksidacijskimi procesi (UV, dodatkom H₂O₂ in TiO₂ filma nanešenega na statorju) (FS, KI; Mesec 24-34)

DS6: Evaluacija optimiziranega postopka razgradnje za skaliranje (FS, KI, Mesec 30-36)