FKKT

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.

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

V okviru aplikativnega projekta smo izdelali fotokatalitski reaktorski sistem za čiščenje odpadne vode. V reaktorju imamo v ceveh pakiran fotokatalizator na osnovi TiO₂, imobiliziran na trdni nosilec (steklene kroglice), ki smo ga osvetljevali z UV LED sijalkami. To smo dosegli z pripravo suspenzije komercialno dostopnega TiO₂, P25, v organskem topilu, ki smo jo nato z metodo potapljanja podlage nanesli na trdni nosilec. Nanešen fotokatalizator smo karakterizirali in testirali stabilnost nanosa z večkratno uporabo istega fotokatalizatorja. V zaključnih fazah projekta smo testirali fotokatalitske aktivnosti izdelanih manjših osnovnih enot reaktorja in celotnega reaktorskega sistema z opazovanjem hitrosti razgradnje različnih organskih onesnaževal (organska barvila, bisfenoli in farmacevtiki) v različnih vodnih medijih (deionizirana voda, simulirana odpadna voda, realna odpadna voda). Rezultati so pokazali, da je fotokatalitska aktivnost v odpadnih vodah nekoliko nižja od aktivnosti v deionizirani vodi. To je bilo pričakovano, saj odpadne vode vsebujejo raztopljene organske snovi, ki se lahko adsorbirajo na površino fotokatalizatorja in se razgrajujejo s fotokatalizo. Kljub temu so bile tudi v takšnih kompleksnejših sistemih stopnje razgradnje organskih onesnaževal zadovoljive.

Žener, B.; Matoh, L.; Rodič, P.; Škufca, D.; Heath, E.; Lavrenčič Štangar, U. Removal of 18 Bisphenols Co-Present in Aqueous Media by Effectively Immobilized Titania Photocatalyst. J. Environ. Chem. Eng. 2021, 9 (6), 106814. https://doi.org/10.1016/j.jece.2021.106814.

Matoh, L.; Žener, B.; Kovačić, M.; Kušić, H.; Arčon, I.; Levstek, M.; Lavrenčič Štangar, U. Photocatalytic Sol-Gel/P25 TiO2 Coatings for Water Treatment: Degradation of 7 Selected Pharmaceuticals. Ceram. Int. 2022, 1–39. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.09.204.

Šuligoj, A.; Cerc Korošec, R.; Žerjav, G.; Novak Tušar, N.; Lavrenčič Štangar, U. Solar-Driven Photocatalytic Films: Synthesis Approaches, Factors Affecting Environmental Activity, and Characterization Features. Top. Curr. Chem. 2022, 380 (6), 51. https://doi.org/10.1007/s41061-022-00409-2.

Matoh, L.; Žener, B.; Skalar, T.; Štangar, U. L. Synthesis of Nanostructured TiO2 Microparticles with High Surface Area. Catalysts 2021, 11 (12), 1512. https://doi.org/10.3390/catal11121512.

Maver, K.; Arčon, I.; Fanetti, M.; Al Jitan, S.; Palmisano, G.; Valant, M.; Lavrenčič Štangar, U. Improved Photocatalytic Activity of SnO2-TiO2 Nanocomposite Thin Films Prepared by Low-Temperature Sol-Gel Method. Catal. Today 2022, 397–399, 540–549. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2021.06.018.

Kumar, P.; Verma, S.; Korošin, N. Č.; Žener, B.; Štangar, U. L. Increasing the Photocatalytic Efficiency of ZnWO4 by Synthesizing a Bi2WO6/ZnWO4 Composite Photocatalyst. Catal. Today 2022, 397–399, 278–285. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2021.09.012.

Sharifi, T.; Crmaric, D.; Kovacic, M.; Popovic, M.; Rokovic, M. K.; Kusic, H.; Jozić, D.; Ambrožić, G.; Kralj, D.; Kontrec, J.; et al. Tailored BiVO4 for Enhanced Visible-Light Photocatalytic Performance. J. Environ. Chem. Eng. 2021, 9 (5), 106025. https://doi.org/10.1016/j.jece.2021.106025.

Kovačić, M.; Perović, K.; Papac, J.; Tomić, A.; Matoh, L.; Žener, B.; Brodar, T.; Capan, I.; Surca, A. K.; Kušić, H.; Zener, B.; Stangar, U. L. et al. One-Pot Synthesis of Sulfur-Doped TiO2/Reduced Graphene Oxide Composite (S-TiO2/RGO) with Improved Photocatalytic Activity for the Removal of Diclofenac from Water. Materials (Basel). 2020, 13 (7), 1621. https://doi.org/10.3390/ma13071621.

Ebrahimpour, Z.; Pliekhova, O.; Cabrera, H.; Abdelhamid, M.; Korte, D.; Segbéya Gadedjisso-Tossou, K.; Niemela, J.; Lavrencic Stangar, U.; Franko, M. Photodegradation Mechanisms of Reactive Blue 19 Dye under UV and Simulated Solar Light Irradiation. Spectrochim. Acta Part A Mol. Biomol. Spectrosc. 2021, 252, 119481. https://doi.org/10.1016/j.saa.2021.119481.

Abdelhamid, M.; Korte, D.; Cabrera, H.; Pliekhova, O.; Ebrahimpour, Z.; Štangar, U. L.; Franko, M. Thermo-Optical Characterization of Cu- and Zr-Modified TiO2 Photocatalysts by Beam Deflection Spectrometry. Appl. Sci. 2021, 11 (22), 10937. https://doi.org/10.3390/app112210937.