Projekti / Programi
Izgradnja, ovrednotenje in optimizacija sončnega pilotnega fotokatalitskega reaktorja za razgradnjo obstojnih organskih spojin v odpadnih vodah in za dezinfekcijo pitnih vod
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.02.00 |
Tehnika |
Kemijsko inženirstvo |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| P305 |
Naravoslovno-matematične vede |
Kemija okolja |
čiščenje pitne vode, obstojne organske spojine, dezinfekcija, fotokatalitski reaktor, sončna energija, TiO2 fotokataliza
Raziskovalci (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
23451 |
dr. Urh Černigoj |
Kemija |
Vodja |
2008 - 2010 |
175 |
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
1540 |
Univerza v Novi Gorici |
Nova Gorica |
5920884000 |
14.070 |
Povzetek
V zadnjih letih se pojavlja vse večja potreba po čiščenju pitnih vod, pri čemer običajne metode čiščenja občasno ne morejo odstraniti onesnaževal do te mere, da bi očiščena voda lahko ustrezala vse strožjim evropskim standardom, glede čistosti vode. Napredne oksidacijske metode (NOM) predstavljajo skupino tehnik, ki lahko razgradijo sicer kemijsko in mikrobiološko stabilne organske molekule. TiO2 fotokataliza spada v skupino NOM in je predmet intenzivnega raziskovanja v zadnjih 20 letih. V primerjavi z ostalimi NOM-mi ima TiO2 fotokataliza nekaj očitnih prednosti (nizka cena in visoka kemijska stabilnost TiO2, možnost izrabe sončne energije kot vira UV fotonov…), na drugi strani pa njene slabosti otežujejo prenos tehnologije iz laboratorija na industrijski nivo. Njene najočitnejše slabosti so: i) počasna celokupna mineralizacija organske snovi; ii) problem ločbe suspendiranih TiO2 delcev od očiščene vode po končanem čiščenju; iii) slabo razvito fotokatalitsko inženirstvo; iv) pomanjkanje standardnih postopkov določevanja fotokatalitskih aktivnosti novopripravljenih materialov. Glede na predstavljene probleme so cilji podoktorskega projekta: A) razvoj, izgradnja in preizkušanje pilotne čistilne naprave za čiščenje obstojnih organskih onesnaževal v vodi in za dezinfekcijo pitnih vod. Pri tem bom uporabil t.i. sestavljene parabolične kolektorje, ki bodo usmerjali tako neposredno kot difuzno sončno svetlobo v stekleno cev, v kateri bo pritrjen katalizator TiO2 (s tem odpravimo slabost, opisano v točki ii). Učinkovitost razgradnje organske snovi bom spremljal z različnimi analitskimi tehnikami (HPLC, ionska kromatografija, instrument za določevnje celokupnega organskega ogljika in celokupnega dušika). Mikrobiološke paramete vod bom spremljal z merjenjem števila raznih sevov bakterij. B) Raziskoval bom mehanizem fotokatalitske oksidacije organskih spojin v vodi, in sicer se želim osredotočiti na iskanje povezav med različnimi lastnostmi TiO2 in učinkovitostjo fotokatalitske ozonacije. C) Za povečanje učinkovitosti čistilne naprave bom TiO2 fotokatalizo povezal z drugimi sorodnimi NOM-i, ki bi lahko pozitivno vplivali na učinkovitost čiščenja. V čistilni napravi bom v prvi fazi uporabil komercialno dostopni TiO2, pritjen na poseben papir (podjetje Ahlstrom). V nadaljevanju pa želim preizkušati tudi v našem laboratoriju (Laboratorij za raziskave v okolju, Univerza v Novi Gorici) pripravljene in ovrednotene tanke plasti TiO2, pripravljene iz prahov TiO2, ki ga na podlago pritrdim s pomočjo silikatnih in silikonskih veziv. Predlog podoktorske raziskovalne naloge je v skladu s tretjim in četrtim prioritetnim sklopom, objavljenima v razpisni dokumentaciji. Prednost načrtovane pilotne čistilne naprave je njena enostavnost in izraba sončne energije za njeno delovanje. S tem med drugim zmanjšamo porabo neobnovljive energije, kar je dandanes ena najpomembejših nalog človeštva. V najboljšem primeru bom tako zgradil sistem za čiščenje podtalnih pitnih vod, ki imajo zaradi intenzivnega kmetijskega delovanja povišane vsebnosti pesticidov, ki so s klasičnimi metodami nerazgradljivi. Še večji potencial pa ima lahko taka čistilna naprava v majhnih vodovodnih sistemih, ki nimajo še urejenih čistilnih naprav, so pa mikrobiološko oporečni.
Pomen za razvoj znanosti
Predlagani podoktorski projekt ima pomen za sam razvoj znanosti, in sicer za področje fotokatalize. Kljub 30 letom obsežnih raziskav na področju fotokatalize sam mehanizem delovanja fotokatalize še vedno ni dovolj eksplicitno pojasnjen. Na nivoju temeljne znanosti sem pokazal, da prihaja do medsebojnega vpliva velikosti površine fotokatalizatorja in koncentracije ozona na učinkovitost fotokatalitske razgradnje organske snovi v vodi. Hkrati sem dokazal tudi, da do enakega efekta ne pride v primeru kombinacije TiO2 katalizatorja z železovimi ioni, kar je tudi nov rezultat v znanstveni sferi. Pokazal sem tudi, da lahko tudi s spreminjanjem drugih lastnosti katalizatorja (npr. kristaliničnost) spremenimo njegovo učinkovitost za oksidacijo organskih snovi v vodi. Znanstveno je tudi pomemben rezultat, da različne organske molekule različno interagirajo s katalizatorjem in ozonom pri fotokatalitski ozonaciji, kar lahko odpira nove raziskave na področju mehanističnih študij. Kakorkoli, največji pomen mojih zaključkov raziskav za razvoj znanosti je premikanje preučevanega znanstvenega področja od znanosti k razvoju in vzpostavljanju nove tehnologije čiščenja vode. Dobro razumevanje in poznavanje osnov določenega procesa lahko vodi v izboljševanje materialov, ki bi lahko bili dovolj učinkoviti, da bi postali tržno zanimivi.
Na področju razvoja novih materialov sem pokazal, da je možno pripraviti obstojne visokoaktivne plasti titanovega dioksida že pri nizkih temperaturah. Glede na moj pregled znanstvene literature je to popolnoma nov dosežek. Tehnološka rešitev je zanimiva in jo je potrebno tudi znanstveno ovrednotiti, tako s stališča same strukture razvitega materiala kot s stališča iskanja novih možnih aplikacij za razviti katalizator.
Pomen za razvoj Slovenije
Omenjene raziskave imajo pomen za razvoj Slovenije. Fotokatalitska ozonacija postaja zanimivo področje za vinarsko industrijo, kjer imajo probleme s čiščenjem odpadne vode, ki nastaja po obdelavi grozdja. V tem kontekstu smo začeli s TIA projektom razvoja modularnega fotoreaktorja s prostornino več 10 L, delujočega na principu fotokatalitske ozonacije, s podjetjema Škrlj d.o.o. in Alpineon d.o.o. ter s Kmetijskim inštitutom Slovenije (Ime projekta: Razvoj inteligentne ekološke ultrastiskalnice UltraPRESS). V letu 2010 imamo namen postaviti prototipni reaktor, ga ovrednotiti in preučiti možnost njegove komercializacije.
Podjetje Cinkarna Celje d.d. se zanima za pridobitev pravic do tehnologije izdelave solov, namenjenih nanašanju fotokatalitskih samočistilnih površin. Cinarna Celje se tudi zavzema za globljo povezavo na raziskovalnem področju med svojim razvojnim oddelkom in skupino raziskovalcev na Univerzi v Novi Gorici (Laboratorij za raziskave v okolju). Tako smo v fazi podpisovanja pogodbe o tesnejšem sodelovanju.
V sodelovanju s podjetjem Martex d.o.o. razvijamo izdelavo samočistilnih keramičnih ploščic. Tudi v tem kontekstu smo tik pred izvedbo velikega pilotnega poskusa v njihovem podjetju, kjer bomo izvedli nanašanje tankih plasti TiO2 na Martexove keramične ploščice.
S pomočjo raziskav, ki jih opraviljam v predlaganem projektu, Slovenija utrjuje in položaj slovenske znanosti v svetu. Kvalitetne raziskave doma so nam tudi omogočile neposredno dostopanje do evropskih znanj v okviru fotokatalitskega programa COST 540, kjer smo aktivno sodelovali. Tako sem aktivno sodeloval na več pomembnih svetovnih znanstvenih konferencah (npr. v Palermu (Italija) oktobra 2008 in pa v Istanbulu (Turčija) septembra 2009, kjer sem kot edini Slovenec imel ustni predstavitvi svojega dela.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2008,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2008,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
