Fotokatalitsko čiščenje vode - razvoj pritrjenih katalizatorjev in kompaktnih reaktorskih sistemov

Šifra projekta:     L7-1848 (C)
Vodja projekta: prof. dr. Urška Lavrenčič Štangar
Financiranje: Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije (ARRS), Kolektor Group d.o.o., JP Centralna čistilna naprava Domžale - Kamnik
Obdobje financiranja: 1. 7. 2019 – 30. 6. 2022

Člani projektne skupine

• prof. dr. Urška Lavrenčič Štangar
• asist. razisk. dr. Andraž Šuligoj
• asist. dr. Lev Matoh
• izr. prof. dr. Romana Cerc Korošec
• asist. dr. Nataša Čelan Korošin
• asist. Boštjan Žener
• dr. Ester Heath (IJS)
• dr. Tina Kosjek (IJS)
• Tjaša Gornik (IJS)
• dr. Peter Rodič (IJS)
• Damir Hamulić (IJS)
• dr. Branka Mušič (NANOTESLA INSTITUT)
• dr. Iztok Arčon (Univerza v Novi Gorici)
• dr. Mitja Linec (KOLEKTOR GROUP)
• dr. Marjetka Stražar (JP CENTRALNA ČISTILNA NAPRAVA DOMŽALE - KAMNIK)
• dr. Marjetka Levstek (JP CENTRALNA ČISTILNA NAPRAVA DOMŽALE - KAMNIK)
• mag. Barbara Brajer Humar (JP CENTRALNA ČISTILNA NAPRAVA DOMŽALE - KAMNIK)

Opis projekta

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.

Cilji projekta

Večina raziskovalnega dela na področju čiščenja vode z uporabo fotokatalize je bila v zadnjih dveh desetletjih osredotočena na pripravo fotokatalitsko aktivnih materialov, le majhen poudarek pa je bil na reaktorskih sistemih, ki bi te materiale učinkovito vključevali. Razvoj in izdelava reaktorskih sistemov predstavlja tudi zadnji problem, ki ga je potrebno rešiti, preden bo lahko fotokatalitsko čiščenje vode prešlo v realno uporabo. Glavni cilj raziskovalnega projekta je tako razvoj, izdelava in testiranje reaktorskega sistema, ki bo primeren za uporabo v realnih pogojih. Cilj je tudi dokazati, da je voda po pretoku skozi reaktor očiščena vseh organskih spojin ter da se materiali, uporabljeni v reaktorju, ne spirajo v vodo. Dodatno pa bo moral biti sistem učinkovit, zanesljiv, enostaven za uporabo in cenovno ugoden. Cilji raziskave so interdisciplinarni, saj zaradi okoljske naravnanosti in ciljne uporabe posegajo na področja tehnologije (reaktorski sistemi), kemije (sinteza fotokatalizatorjev) ter okolja. Pri načrtovanju reaktorjev je namen razvoj modularnega reaktorskega sistema, sestavljenega iz več manjših samostojnih fotokatalitskih enot, ki so medsebojno lahko povezane vzporedno (večji pretok) ali zaporedno (večja zmogljivost čiščenja) z možnostjo preklapljanja med načinoma (Slika 1). Tako bo zagotovljena možnost prilagajanja delovanja reaktorja glede na potrebno hitrost pretoka oziroma nihanja v koncentraciji onesnažil v vodi. Ta del projekta lahko razdelimo na 5 nalog:

• Načrtovanje in izdelava modularnih fotokatalitskih enot
• Načrtovanje in izdelava ostale opreme, potrebne za delovanje reaktorja (povezovalne cevi in razvodi, črpalka, napajanje za luči in črpalko...).
• Načrtovanje in izdelava polnil za fotokatalitske enote – inertni nosilci, prevlečeni s fotokatalizatorjem.
• Testiranje delovanja reaktorja s fotokatalitskim čiščenjem različnih modelnih ter realnih odpadnih vod iz čistilne naprave.
• Testiranje možnosti povečanja učinkovitosti čiščenja z raztapljanjem kisika v vodi pred vtokom v reaktor.

Slika 1: Skice modularnega reaktorskega sistema v različnih načinih vezave osnovnih fotokatalitskih enot.