Odstranjevanje izbranih protimikrobnih učinkovin s hibridno kavitacijsko-plazemsko tehnologijo iz vodnih matric različnih kompleksnosti (Causma)

Vzporedno z rastjo svetovnega prebivalstva in življenjskega standarda se povečuje tudi onesnaževanje okolja. Eden najbolj perečih globalnih problemov je vse večja onesnaženost površinske in podzemne vode, ki vodi v svetovno pomanjkanje vodnih virov. V zadnjem desetletju se je nabralo dovolj dokazov, ki kažejo, da zdravilne učinkovine skozi čistilne naprave nenehno vstopajo v vodno okolje in nanj negativno vplivajo. Težave se še poslabšajo, ko se bolnišnična odpadna voda, ki vsebuje visoke koncentracije različnih protimikrobnih učinkovin, vključno z antibiotiki, spušča neposredno v kanalizacijski sistemi.

Pristojni organi v Evropski uniji so se tega problema lotili tako, da so sestavili seznam prednostnih snovi, katerih emisije v okolje je potrebno pozorno spremljati. Podatki, zbrani v okviru te pobude, bodo privedli do strožje zakonodaje z določitvijo sprejemljivih okoljskih koncentracij teh spojin v iztokih čistilnih naprav. Zdravila so postala nepogrešljiv del našega življenja, in ker se njihova uporaba ne bo kmalu zmanjšala, bo to le povečalo njihov negativni vpliv na okolje. Situacija se zdi skoraj nerešljiva in ni jasno, kako bi jo bilo mogoče zadovoljivo rešiti v bližnji prihodnosti. Najprimernejša rešitev je nadgradnja konvencionlnih postopkov čiščenja odpadnih voda z alternativnimi procesi.

V skladu s koncepti EU za čisto in trajnostno čiščenje odpadne vode se bo predlagani projekt Causma osredotočil na zagotavljanje alternativne, okolju prijazne in ekonomsko sprejemljive tehnologije čiščenja odpadne vode. Napredni oksidacijski procesi so dobro orodje za oksidacij in celo mineralizacijo številnih nevarnih onesnaževal v vodnih matrikah različnih kompleksnostih, s čimer se zmanjša njihov škodljiv vpliv na okolje. V predlaganem projektu Causma bomo raziskali učinkovitost dveh naprednih oksidacijskih procesov, hidrodinamske kavitacije in nizko-temperaturne plazme. Čeprav je učinkovitost obeh procesov dokazana, je podatkov o njunih učinkih na različna onesnaževala, ko sta kombinirani, zelo malo ali nič. Projekt Causma bo zapolnil to veliko vrzel z inovativnim kombiniranjem obeh procesov v hibridno tehnologijo. Ko bosta procesa v kombinaciji bo oksidacijski potencial tehnologije maksimalen vnos energije pa minimalen. Učinkovitost posameznega procesa in njune kombinacije bo raziskana za zdravilne učinkovine, predvsem protimikrobne učinkovine iz seznama prednostnih snovi: eritromicin, klaritromicin, azitromicin, amoksicilin, ciprofloksacin, sulfametoksazol in trimetoprim. Določitev in ovrednotenje učinkov kombinirane tehnologije na izbrane učinkovine bomo najprej opravili v MilliQ vodi in na koncu na realnih vzorcih bolnišnične odpadne vode.

Verjamemo, da lahko z kombinacijo hidrodinamske kavitacije in nizko-temperaturne plazme dostavimo tehnologijo za obdelavo odpadne vode, ki je enostavna, okolju prijazna, ekonomsko izvedljiva, robustna in enostavna za prenos na industrijski nivo.

DS1: Vodenje projekta (M1-M36)

·         Naloga 1.1: Poročanje o napredku in stroških (M1-M36)

·         Naloga 1.2: Nadzor in upravljanje kakovosti (M1-M36)

Vodenje projekta je potekalo ustrezno. Redno so bili organizirani sestanki članov projektne skupine in sestanki med vodjo projekta in vodji delovnih skupin. Ustrezno vodenje je pripeljalo do doseženih vseh treh ciljev. 

DS2: Razvoj in optimizacija analizne metode (M1-M12)

·         Naloga 2.1: Razvoj hitrih metod za kvantifikacijo v enostavnih matricah (M1-M5)

·         Naloga 2.2: Razvoj multirezidualnih analiznih metod (M4-M12)

V okviru DS2 smo si zastavili naloge, da bomo razvili in optimizirali analizno metodo za določanje izbranih zdravilnih učinkovin v enostavni vodni matrici MilliQ. Metoda je bila razvita, umerjena in validirana po standardiziranem postopku. Razvita metoda se je izkazala kot stabilna, kar pomeni, da produkti razgradnje ne motijo merjenja začetne zdravilne učinkovine. Rezultati iz DS2 so ključni za DS3-DS5, kjer se analizne metode uporabijo za karakterizacijo učinkovitosti optimiziranih sklopov kavitacijske in plazemske naprave. Rezultati so bili predstavljeni na treh mednarodnih konferencah [1-3]. 

DS3: Optimizacija RGHK (M1-M12)

·         Naloga 3.1: Nadzor kavitacije in črpalne zmogljivosti RGHK (M1-M8)

·         Naloga 3.2: Karakterizacija kavitacije v RGHK (M6-M10)

·         Naloga 3.3: Raziskava kavitacijske erozije (M9-M12)

V okviru DS3 smo s spreminjanjem geometrije rotorja in statorja na RGHKju vplivali na kavitacijske razmere. Preko karakterizacije kavitacije s pomočjo hitre vizualizacije, merjenja tlačnih pulzacij in spremljanja kemijskih učinkov na podlagi analiznih metod iz DS2 smo lahko določili »optimalno« geometrijo za dosego želenih mehanskih in kemijskih učinkov RGHCja. Rezultati so bili predstavljeni v petih znanstvenih člankih [4,5,8,9,10] in več znanstvenih konferencah [1,3,6,7]. Tri znanstvene objave vsebujejo tudi bazične raziskave vpliva kavitacije na druge kapljevine, kar je presegalo predviden obseg DS3.

DS4: RGHK zaporedno vezan z venturi-plazma napravo (M13-M24)

·         Naloga 4.1: Optimizacija venturi-plazma naprave (M13-M18)

·         Naloga 4.2: Meritve razelektritvenih in plazemskih parametrov (M15-M18)

·         Naloga 4.3: Zaporedna vezava venturi-plazma naprave z RGHK (M17-M21)

·         Naloga 4.4: Optimizacija naprave za odstranjevanje protimikrobnih učinkovin (M18-M23)

·         Naloga 4.5: Ocena energijske učinkovitosti (M23-M24)

V sklopu DS4 smo sklopili RGHC iz DS3 z Venturijevo zožitvijo, v kateri smo s pomočjo RGHCja ustvarili stabilen superkavitacijski oblak in v njem prižgali plinsko plazmo. Optimizirali smo pozicijo in konfiguracijo elektrod ter Venturijev del zaščitili z mednarodnim patentom [14]. Generirana plazma znotraj Venturijeve zožitve je bila okarakterizirana preko optične emisijske spektroskopije. Prostorska optična spektroskopija pa je omogočila določanje intenzitete plazme in določanje temperature plina.  Rezultati so bili predstavljeni tudi na znanstvenih konferencah [6, 11,12,13]. Koncept sklopitve kavitacijske in plazemske tehnologije je bil prikazan in objavljen v znanstveni reviji [15]. V sklopu DS4 pa smo opravili še dodatne bazične raziskave in rezultate objavili v znanstvenem članku [16].

DS5: Izdelava nove hibridne plazma-kavitacija naprave (M24-M36)

·         Naloga 5.1 Zasnova in izdelava RGHK z integrirano plazmo (M25-M30)

·         Naloga 5.2 Optimizacija naprave za odstranjevanje protimikrobnih učinkovin (M30-M35)

·         Naloga 5.3 Ocena energijske učinkovitosti (M34-M36)

Nova hibridna naprava je bila zasnovana, izdelana in preizkušena. Zasnova omogoča stabilno delovanje plinske plazme znotraj kavitacijske komore. Prikaz delovanja je bil predstavljen na Bfestivalu [17]. Za napravo je bila vložena mednarodna patentna prijava [18]. Končni rezultati so predstavljeni v obliki znanstvenega članka [19]. Raziskovalni podatki so prosto dostopni na repozitoriju Zenodo [20].

DS6: Razširjanje in izraba rezultatov (M1-M36)

·         Naloga 6.1 Predstavitev rezultatov znanstveni skupnosti (M7-M36)

·         Naloga 6.2 Predstavitev rezultatov širši javnosti (M1-M36)

·         Naloga 6.3 Predstavitev rezultatov industrijski skupnosti (M34-M36)

Delo v sklopu DS6 je potekalo ustrezno in je izpolnilo predvidene aktivnosti. Rezultati so znanstveni javnosti predstavljeni v okviru znanstvenih objav (8) v znanstvenih revijah, ki so javno dostopni in na znanstvenih konferencah (preko 10), splošni javnosti pa so povzetki na voljo na spletni strani Fakultete za strojništvo v Ljubljani. 

[1] ZUPANC, M., PETKOVŠEK, M., PRIMC, G., ROŠKAR, R., ZAPLOTNIK, R., TRONTELJ, J.. Removal of bisphenol A by plasma-cavitation technology (Causma): presentation at the Water Innovation and Circularity Conference (WICC), 7.-9.6.2023, Athens. [COBISS.SI-ID 156037891]

[2] ZUPANC, M., PETKOVŠEK, M.. Cavitation exploitation, beyond the scope of CABUM: keynote at the Workshop on cavitation exploitation 2023. [COBISS.SI-ID 181856771]

[3] ZUPANC, M., GOSTIŠA, J., PETKOVŠEK, M., DULAR, M.. Process intensification through cavitation. Next Challenges of Biorefineries: book of abstracts: 3rd BioSPRINT Workshop [and] 2nd Bilateral Workshop Portugal – Slovenia : June 14-15, 2023, National Institute of Chemistry, Slovenia. [COBISS.SI-ID 156089859]

[4] ZUPANC, M., BRAJER HUMAR, B., DULAR, M., GOSTIŠA, J., HOČEVAR, M., KOLBL REPINC, S., KRZYK, M., NOVAK, L., ORTAR, J., PANDUR, Ž., STRES, B., PETKOVŠEK, M.. The use of hydrodynamic cavitation for waste-to-energy approach to enhance methane production from waste activated sludge. Journal of environmental management. 2023, [COBISS.SI-ID 167876867]

[5] ZUPANC, M., ZEVNIK, J., FILIPIĆ, A., GUTIÉRREZ-AGUIRRE, I., JEŠELNIK, M., KOŠIR, T., ORTAR, J., DULAR, M., PETKOVŠEK, M.. Inactivation of the enveloped virus phi6 with hydrodynamic cavitation. Ultrasonics Sonochemistry. 2023, [COBISS.SI-ID 148619523]

[6] FILIPIĆ, A., DOBNIK, D., RAVNIKAR, M., KOŠIR, T., PETKOVŠEK, M., ZUPANC, M., ZEVNIK, J., ORTAR, J., DULAR, M., MOZETIČ, M., ZAPLOTNIK, R., PRIMC, G., GUTIÉRREZ-AGUIRRE, I.. Cavitation alone or in combination with plasma for waterborne virus inactivation. Workshop on Cavitation Exploitation,  20th – 22nd of September 2023, Ljubljana, Slovenia [COBISS.SI-ID 167612931]

[7] GOSTIŠA, J., DULAR, M., STEPIŠNIK PERDIH, T., ZUPANC, M.. On the path to pin disc hydrodynamic cavitation reactor commercialisation. Workshop on Cavitation Exploitation, 20th – 22nd of September 2023, Ljubljana, Slovenia. [COBISS.SI-ID 167604227]

[8] BOČEK, Ž., PETKOVŠEK, M., CLARK, S. J., FEZZAA, K., DULAR, M.. Dynamics of oil–water interface at the beginning of the ultrasonic emulsification process. Ultrasonics Sonochemistry. 2023, [COBISS.SI-ID 170581251]

[9] BOČEK, Ž., PETKOVŠEK, M., CLARK, S. J., FEZZAA, K., DULAR, M.. Kelvin-Helmholtz instability as one of the key features for fast and efficient emulsification by hydrodynamic cavitation. Ultrasonics sonochemistry. 2024, [COBISS.SI-ID 201951491]

[10] ZUPANC, A., PETKOVŠEK, M., ZDOVC, B., ŽAGAR, E., ZUPANC, M.. Degradation of hydroxypropyl methylcellulose (HPMC) by acoustic and hydrodynamic cavitation. Ultrasonics Sonochemistry. 2024, [COBISS.SI-ID 204078851]

[11] PRIMC, G., ZAPLOTNIK, R., FILIPIĆ, A., DOBNIK, D., GUTIÉRREZ-AGUIRRE, I., RAVNIKAR, M., KOŠIR, T., ŽEGURA, B., PETKOVŠEK, M., DULAR, M., BAEBLER, Š., ŠTERN, A., MOZETIČ, M.. Cold plasma within a stable supercavitation bubble – a breakthrough technology for efficient inactivation of viruses in water. V: AAPPS-DPP2025 : 9th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics : September 21-26, 2025, Fukuoka International Congress Center, Japan. [COBISS.SI-ID 255120131]

[12] PRIMC, G., ZAPLOTNIK, R., MOZETIČ, M., FILIPIĆ, Ar., DOBNIK, D., GUTIÉRREZ-AGUIRRE, I., ROŠKAR, R., TRONTELJ, J., PETKOVŠEK, M., DULAR, M., ZUPANC, M.. A combination of advanced oxidation processes to tackle the degradation of organic matter. V: ICREM 2024 : abstract book : The 6th International Conference on Radiation and Emission in Materials : 27-29 November 2024, Khon Kaen, Thailand. [COBISS.SI-ID 220948739]

[13] PRIMC, G., FILIPIĆ, A., MOZETIČ, M., DULAR, M., PETKOVŠEK, M., ŠTERN, A., ŽEGURA, B., GUTIÉRREZ-AGUIRRE, I., DOBNIK, D., ZAPLOTNIK, R.. Combining advanced oxidation techniques for disinfection of water for (closed) irrigation. Japan-Croatia Joint Symposium on Chemical Engineering & Plasma Agriculture for Young Scientists Global Networking (JC-JSChEPA) : book of abstracts : Zagreb, Croatia, October 15 – 17, 2024. Zagreb: [University of Zagreb, Faculty of Chemical Engineering and Technology], [COBISS.SI-ID 213768963]

[14] PRIMC, G., ZAPLOTNIK, R., MOZETIČ, M., FILIPIĆ, A., GUTIÉRREZ-AGUIRRE, I., DOBNIK, D., DULAR, M., PETKOVŠEK, M.. Method and device for disinfection of liquid: United States Patent US 11,807,555 B2, 2023-11-07. Alexandria: United States Patent and Trademark Office, 2023. [COBISS.SI-ID 45799939]

[15] ZUPANC, M., PRIMC, G., DULAR, M., PETKOVŠEK, M., ROŠKAR, R., ZAPLOTNIK, R., TRONTELJ, J.. Proof-of-concept for removing micropollutants through a combination of sub-atmospheric-pressure non-thermal plasma and hydrodynamic (super)cavitation. Ultrasonics Sonochemistry. 2024, [COBISS.SI-ID 212810499]

[16] MALEKI, M., TALABAZAR, F. R., DAVOUDIAN, S. H., DULAR, M., KOŞAR, A., PETKOVŠEK, M., ŠMID, A., ZUPANC, M., GHORBANI, M.. The formation of hydroxyl radicals during hydrodynamic cavitation in microfluidic reactors using salicylic acid dosimetry. Chemical engineering journal. 2025, [COBISS.SI-ID 230634243]

[17] DAHLE, S., ZUPANC, M., DULAR, M., PETKOVŠEK, M.. Distribution of plasma species with the help of hydrodynamic cavitation for synergistic effects in the degradation of water pollutants. BFestival 2025 : biotehnologija in trajnostni razvoj : predstavitev raziskovalnih dosežkov Biotehniške fakultete. Ljubljana: Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, 2025. [COBISS.SI-ID 229408003]

[18] ZUPANC, M., PETKOVŠEK, M., GOSTIŠA, J., DULAR, M., DAHLE, S.. A combined cavitation and plasma generation system and a method of generating cavitation and a plasma : application No.: LU509844. Luxembourg: European patent office, 2025. [COBISS.SI-ID 225777667]

[19] ZUPANC, M., DAHLE, S., DULAR, M., PRIMC, G., ZAPLOTNIK, R., PETKOVŠEK, M.. Decolorization of reactive Red 120 by a novel hybrid hydrodynamic cavitation and non-thermal plasma reactor. Journal of industrial and engineering chemistry. 2026, [COBISS.SI-ID 271784963]

[20] ZUPANC, M., DAHLE, S., DULAR, M., PRIMC, G., ZAPLOTNIK, R., PETKOVŠEK, M.. Data from paper: Decolorization of Reactive Red 120 by a novel hybrid hydrodynamic cavitation and non-thermal plasma reactor. Genève: Zenodo. [COBISS.SI-ID 271804675]