Na čom sa v súčasnosti pracuje na Slovenskej Akadémii Vied

V dnešnej dobe existuje veľký problém s odpadmi. Súčasná situácia nás núti začať sa správať ekologicky a šetrne k životnému prostrediu. V opačnom prípade sa môže stať, že si ho otrávime a to sa nám škaredo vypomstí na našich deťoch a vnúčatách. Preto začínajú byť čoraz aktuálnejšie požiadavky vytvoriť technológie pomáhajúce vyriešiť problém znečistenia životného prostredia (ŽP) a narábania s odpadovými látkami.


Odpady

Pri priemyselnej výrobe vzniká množstvo odpadových produktov, ktoré sú často vypúšťané do prostredia. Napríklad Slovensko je najviac znečistená krajina ťažkými kovmi spomedzi susedov [1]. Ťažké kovy zo ŽP sa v konečnom dôsledku môžu cez vodu, vzduch, alebo potravu dostať do ľudského tela, čím môžu pri zvýšených koncentráciách vyvolať poškodenie zdravia. Preto sú zavedené opatrenia a normatívne limity pre výpuste ťažkých kovov zabezpečujúce zmiernenie negatívnych účinkov týchto látok na ŽP [2].

Iný problém sú samotné produkty, ktoré sa po použití stávajú odpadmi. Pre príklad uvediem PET flaše, ktoré sa po jednorázovom použití stávajú ťažko likvidovateľnou záťažou. Ak sa uprednostní ekologickejší spôsob nakladania s nimi ako nechať ich ležať na skládke, prípadne spáliť v spaľovni, treba ich zbierať, separovať a druhotne spracovávať, čo značí ďalšie náklady a keďže dnes zadarmo už ani pes ne…, musí sa pri tom niekde tvoriť zisk.


Spracovanie a druhotné využitie PET fliaš

V Japonsku bol vymyslený efektívny spôsob narábania s odpadovými PET flašami. Po pyrolytickom spracovaní vznikne niekoľko rôznych produktov, ktoré sú vhodné na ďalšie použitie [3]. Vznikne pevná frakcia – karbonizačný zvyšok, kvapalná frakcia obsahujúca zmes uhlovodíkov, plynná frakcia obsahujúca npr. vodík a uvoľní sa množstvo energie vo forme tepla. Pyrolyticky je možné spracovávať aj biomasu s podobným výsledným efektom. Tento spôsob spracovania PET fliaš je testovaný na FMFI UK.

Spomínaný karbonizačný zvyšok, ktorého vznikne 5 – 10 % z hmotnosti pyrolyticky spracovaných fliaš je vlastne aktívne uhlie, čo je materiál známy a využívaný pre jeho adsorbčné vlastnosti už tisíce rokov. Je to pórovitý materiál s veľkou plochou (600 – 1400 m2/g). Mechanizmom adsorbcie je prilnutie adsorbovanej látky na povrch aktívneho uhlia. Takto získaný karbonizačný zvyšok (KZ) je však znečistený rôznymi látkami [4]. Priemyselne pripravované aktívne uhlie sa obvykle ešte čistí, v závislosti od spôsobu využitia a spôsobu prípravy [2]. Znečistený KZ sa ajtak dá využiť pre adsorbciu ťažkých kovov z odpadových vôd. Za týmto účelom sú na Fyzikálnom ústave SAV laboratórne testované adsorbčné schopnosti KZ získaného z pyrolýzy PET fliaš.


Testovanie adsorbčných schopností karbonizačného zvyšku

Pre toto testovanie bola zvolená meď ako príklad kovu. Bol pripravený roztok destilovanej vody so známou koncentráciou pridanej medi, ktorý bol rozdelený do viacerých nádob a do každej bola pridaná navážka karbonizačného zvyšku s danou hmotnosťou. Po určenom čase bol roztok prefiltrovaný a karbonizačný zvyšok bol oddelený a vysušený. Pre stanovenie obsahu medi v KZ bola zvolená metóda röntgenofluorescenčnej analýzy (RFA), čo je analytická metóda využívajúca fakt, že každý chemický prvok pri ožiarení röntgenovským (rtg) žiarením emituje tiež rtg žiarenie s charakteristickou vlnovou dĺžkou (teda energiou). Meraním intenzít a energií tohoto charakteristického žiarenia prvkov je možné jednoznačne identifikovať chemický prvok a stanoviť jeho koncentráciu [4]. Z karbonizačného zvyšku boli pripravené vzorky a bola vykonaná analýza obsahu Cu v ňom.




Obr. 1: Obrázok amplitúdového spektra charakteristického žiarenia prvkov pri RFA. Na obrázku je vidno charakteristické píky žiarenia rôznych prvkov a dvíhajúci sa pík Cu v závislosti od hmotnosti Cu vo vzorke


Boli vyhodnotené koncentrácie Cu vo vzorkách KZ s časom adsorbcie od 10 minút po 3 dni. Merania boli uskutočnené pomocou rtg trubice a pomocou izotopu 238Pu, pričom oba spôsoby dávajú dobrú zhodu.




Obr. 2: Časový priebeh adsorbcie Cu na KZ z vodného roztoku.


Ako je vidno z obrázku 2, koncentrácia blízka nasýtenej sa dosahuje v pomerne krátkom čase – do 1 hodiny. Preto bola pripravená séria vzoriek s meďou adsorbovanou v časoch od 10 minút do 1 hodiny. Boli zistené koncentrácie Cu nachádzajúce sa v pripravených vzorkách z KZ. Avšak bolo zistené, že v KZ sa nachádzala Cu už pred samotným testovaním adsorbčných schopností. Aby bolo možné určiť, s akou účinnosťou sa Cu z roztoku vychytáva, bola určená pozaďová koncentrácia Cu. Následná korekcia poskytla informáciu o časovom priebehu účinnosti adsorbcie.




Obr. 3: Časový priebeh adsorbcie Cu na KZ z vodného roztoku so stanovením účinnosti adsorbcie.


Záver

Pri testovaní bolo zistené, že na daný karbonizačný zvyšok sa adsorbuje meď ako príklad znečisťujúceho kovu s účinnosťou 73 % za čas 45 minút. Tiež bolo zistené, že sa jedná o povrchovú adsorbciu, preto výsledok výrazne ovplyvňuje veľkosť zŕn karbonizačného zvyšku. Laicky povedané, čím jemnejšie nadrvené zrniečka KZ, tým viac Cu sa do nich zmestí. Testovanie bolo robené v laboratórnych podmienkach. Pre presnejšie výsledky „ušité na mieru“ by bolo pre prípadného záujemcu potrebné urobiť testovanie v teréne, pretože adsorbciu ovplyvňuje mnoho faktorov. Bolo však experimentálne overené, že karbonizačný zvyšok z pyrolýzy ťažko likvidovateľného odpadu - PET fliaš nájde ekologické uplatnenie pri čistení priemyselných odpadových vôd znečistených ťažkými kovmi.



Citované práce

[1] Florek a kolektív feat. M. V. Frontasyeva a kol. - Evaluation of elemental content in air-borne particulate matter in low-level atmosphere of Bratislava (poster je možné vidieť FMFI UK v F1 na 2. poschodí) :) inak http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B6VH3-4T26397-8&_user=10&_rdoc=1&_fmt=&_orig=search&_sort=d&view=c&_acct=C000050221&_version=1&_urlVersion=0&_userid=10&md5=7325ee59972f281dc043ff78d376a9e0 + ďalšie publikácie v podobnom duchu

[2] G. Oráviková: Stanovovania ťažkých kovov vo vodných roztokoch, diplomová práca,
FMFI UK Bratislava, 2004

[3] M. Morvová, I. Morva, M. Janda, F. Hanic, P. Lukáč: Combustion and carbonisation exhaust utilisation in electric discharge and its relation to prebiotic chemistry, Int. Journal of Mass Spectrometry, 223-224 (2003) 613-625

Fu-Shen Zhang, Hideaki Itoh: Adsorbents made from waste and post-consumer PET and their potential utilization in wastewater treatment, Journal of Hazardous Materials, B101 (2003) 323-337

K. Gmucová, G. Oráviková, M. Morvová: Ability of the carbonized waste to prevent the environmental pollution – electrochemical studies, Proceedings of the 10-th International workshop on Applied Physics of Condensed Matter, Častá – Píla, Slovak Republic, June 16 – 18, 2004

[4] I. Siváček: Röntgenofluorescenčný spektrometer a jeho využitie v odpadovom hospodárstve, diplomová práca, FMFI UK, 2009 (obhajoba bude 4.6.)


Post scriptum

Týmto článočkom by som chcel informovať o novinkách v aplikovanom výskume jednej z vedeckých skupín pôsobiacich v slovenských fyzikálnych inštitúciách, s ktorou som mal tú česť spolupracovať. Toto je zjednodušene podaná hlavná časť mojej diplomovej práce. Predsalen sa niečo deje aj na Slovensku :)