Naukowcy PRz zbadają wpływ starzenia mikroplastików na efektywność koagulacji

W ramach konkursu grantowego NCN „Opus 27” naukowcy PRz prowadzą projekt badawczy pn. „Rola starzenia abiotycznego i biotycznego w usuwaniu mikroplastików w procesie koagulacji z wykorzystaniem naturalnych i odpadowych koagulantów”. Jego głównym celem jest analiza wpływu starzenia mikroplastików (MPs) na efektywność koagulacji.

Kierownikiem projektu jest dr inż. Sabina Ziembowicz z Katedry Inżynierii i Chemii Środowiska na Wydziale Budownictwa, Inżynierii Środowiska i Architektury Politechniki Rzeszowskiej. W skład zespołu badawczego wchodzą: dr hab. inż. Małgorzata Kida, prof. PRz i prof. dr hab. inż. Piotr Koszelnik z Katedry Inżynierii i Chemii Środowiska, dr Monika Zdeb z Katedry Oczyszczania i Ochrony Wód oraz dr inż. Kamil Pochwat z Katedry Infrastruktury i Gospodarki Wodnej. Czas trwania projektu to 2 lata. Przyznane na niego środki wynoszą 805 200 zł.

Tematyka projektu

Starzenie mikroplastików będzie uwzględniać czynniki abiotyczne i biotyczne oraz wpływ wszystkich czynników dla zapewnienia warunków zbliżonych do warunków środowiskowych. Chociaż koagulacja jest dobrze znaną i szeroko stosowaną techniką usuwania zawieszonych cząstek, brak jest jednak szczegółowych danych na temat skuteczności w eliminacji MPs. Dostępne badania dotyczące usuwania MPs przez koagulację są na wstępnym etapie. Niewiele jest badań dotyczących mechanizmu i skuteczności usuwania oraz czynników zwiększających efektywność. Istotnymi ograniczeniami dotychczasowych badań nad procesem koagulacji w celu eliminacji MPs są:

• usuwanie tylko jednego rodzaju MPs, podczas gdy w środowisku występuje mieszanina cząstek różniących się przede wszystkim składem, ale także wielkością i kształtem,
• ignorowanie faktu, że obecne w warunkach środowiskowych MPs ulegają przemianom/starzeniu pod wpływem czynników abiotycznych i biotycznych. Cząstki te zmieniają nie tylko wygląd, rozmiar/masę czy gęstość, ale także swoją powierzchnię i skład chemiczny.

Zmiany te mogą mieć zarówno pozytywny, jak i negatywny wpływ na skuteczność eliminacji mikroplastików w procesie koagulacji.

Naturalne koagulanty

Kolejnym celem jest zastosowanie naturalnych i ekologicznych koagulantów do usuwania pierwotnych i poddanych starzeniu mikroplastików występujących w mieszaninie różnego rodzaju polimerów, o różnej wielkości i kształcie. Większość dostępnych badań dotyczy stosowania konwencjonalnych (chemicznych) koagulantów. Chociaż koagulacja wydaje się obiecującą techniką w eliminacji MPs, proces koagulacji chemicznej ma pewne wady. To np. nadmierne wytwarzanie toksycznych osadów i wysokie koszty produkcji. Większość nieorganicznych koagulantów jest żrąca, droga i zużywa dużo energii, dlatego konieczne są rozszerzone badania i poszukiwanie alternatywnych koagulantów.

Analiza kosztów i optymalizacja koagulacji

Trzecim celem projektu jest optymalizacja procesu koagulacji, wykorzystanie sztucznych sieci neuronowych do przewidywania optymalnych parametrów oraz analiza kosztów procesu koagulacji. Jednym z głównych wyzwań związanych ze stosowaniem procesów koagulacji jest wybór warunków eksperymentalnych, które można wdrożyć, aby zapewnić skuteczne oczyszczanie. Na skuteczność koagulacji ma wpływ wiele czynników, a dobór optymalnych parametrów procesu koagulacji ma znaczący udział w kosztach eksploatacji oczyszczalni. Dlatego konieczna stała się optymalizacja procesów. Stosując tradycyjną optymalizację, optymalną wartość dla każdej zmiennej osiąga się przez zmianę jednego czynnika przy jednoczesnym zachowaniu wszystkich pozostałych czynników na stałym poziomie. Metoda ta jest ona czasochłonna i nie pozwala na zbadanie wpływu interakcji pomiędzy badanymi zmiennymi.

Wyniki wielu badań prowadzonych w ostatnich latach wykazały, że możliwe jest stworzenie modelu pozwalającego na predykcje optymalnych warunków. Zaletą sztucznych sieci neuronowych (SSN) w rozwiązywaniu tego typu problemów jest to, że w większym stopniu niż modele fizyczne mają one zdolność do odwzorowania nieliniowych zależności pomiędzy różnymi danymi uwzględnianymi w modelu. Analiza wpływu ekonomicznego i środowiskowego jest powszechnym narzędziem decyzyjnym stosowanym do określenia praktycznej wykonalności dowolnej istniejącej lub nowej technologii. Brak jest danych na temat optymalizacji procesów koagulacji i oceny kosztów. Koszt oczyszczania powinien być jak najniższy przy zachowaniu odpowiedniego stopnia oczyszczenia, aby zapewnić skuteczną komercjalizację technologii koagulacji. Określenie optymalnych warunków prowadzenia procesu koagulacji ma kluczowe znaczenie w obliczeniu całkowitego kosztu. Ważne jest również przeprowadzenie analizy kosztów odzyskiwania koagulantu po procesie, aby określić wykonalność stosowania alternatywnych koagulantów na dużą skalę.

Szansa na nowe, unikatowe informacje

Badania będą prowadzone w warunkach laboratoryjnych z wykorzystaniem sztucznie przygotowanych i rzeczywistych próbek wody (destylowanej, powierzchniowej i deszczowej). Próbki wody zostaną wzbogacone mikroplastikami, które wcześniej zostaną poddane różnym metodom starzenia. Pierwotne mikroplastiki zakupione w postaci cząstek <5 mm oraz większe fragmenty tworzyw sztucznych rozdrobnione do odpowiednich rozmiarów zostaną poddane starzeniu abiotycznemu, biotycznemu oraz procesom fizykochemicznym i katalitycznym. Planuje się zastosowanie następujących metod starzenia: naprężenia mechaniczne, utlenianie termiczne, starzenie UV, obróbka chemiczna, procesy fizykochemiczne i katalityczne (ozonowanie, proces Fentona, utlenianie fotokatalityczne, ultradźwięki) oraz kolonizacja przez mikroorganizmy.

Realizacja projektu znacząco poszerzy wiedzę z zakresu nauk o środowisku i inżynierii środowiska. Naukowcy uzyskają nowe i unikatowe informacje dotyczące wpływu czynników środowiskowych oraz procesów fizykochemicznych na właściwości mikroplastików. Wyniki badań przyczynią się do poszerzenia wiedzy na temat możliwości zastąpienia toksycznych i chemicznych koagulantów materiałami ekologicznymi i odpadowymi. Zastosowana w tym projekcie metoda optymalizacji procesu koagulacji może zostać wykorzystana do projektowania innych procesów oczyszczania wody i ścieków.

Źródło: Politechnika Rzeszowska im. Ignacego Łukasiewicza

Czytaj także: Badacze PK prowadzą monitoring zawartości dioksyn w powietrzu