Oczyszczanie barwnych ścieków przemysłowych na niekonwencjonalnych sorbentach

dr inż. Tomasz Jóźwiak
Adiunkt w Katedrze Inżynierii Środowiska Wydziału Geoinżynierii Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie

Teraz Środowisko: Prowadzi Pan badania nad niekonwencjonalnymi procesami oczyszczania ścieków przemysłowych. Jakiej konkretnie grupy ścieków badania dotyczą i skąd takie zainteresowania badawcze?

Tomasz Jóźwiak (TJ): Wraz z prof. Urszulą Filipkowską stanowimy zespół zajmujący się badaniami nad oczyszczaniem ścieków przemysłowych na drodze sorpcji.

Skupiamy się głównie na wodach poprodukcyjnych pochodzących z procesów barwienia materiałów. Są to np. ścieki z przemysłu tekstylnego, garbarskiego czy też papierniczego. Ścieki te są powszechnie uważanie za wyjątkowo uciążliwe. Mówiąc w dużym uproszczeniu, podczas barwienia, barwnik łączy się z materiałem, nadając mu pożądaną barwę. Niestety, ze względu na niedoskonałość stosowanych obecnie technologii barwienia, część zastosowanych w procesach barwników (10-50 proc.) nie wiąże się z materiałami i trafia do wód poprodukcyjnych. W konsekwencji ścieki z zakładów, w których wykorzystywane są barwniki, charakteryzują się dużym ich stężeniem.

TŚ: Co się stanie, kiedy takie barwione ścieki przedostaną się do środowiska?

TJ: Takie zdarzenia mogą być przyczyną szeregu negatywnych zmian w ekosystemach, zwłaszcza wodnych. Nawet bardzo małe stężenia barwników w zbiornikach wodnych, rzędu 0,1 mg/L, są widoczne. Problem nie jest jednak jedynie natury estetycznej. Substancje barwne mogą ograniczać roślinom wodnym dostęp do światła, co prowadzi do zahamowania procesu fotosyntezy. Rozpuszczone w wodzie barwniki zmniejszają także skuteczność dyfuzji tlenu w wodzie. Zmniejszone stężenie tlenu może prowadzić do wymierania fauny naturalnych zbiorników wodnych. W dodatku niektóre barwniki mogą wykazywać bezpośrednie toksyczne działanie na organizmy wodne.

Barwniki, ze względu na swoją skomplikowaną strukturę chemiczną, są substancjami bardzo trudno biodegradowalnymi (trudno się rozkładają). Gdyby było inaczej, nasze ubrania bardzo szybko traciłyby swój kolor, ale oznacza to też, że takich barwnych ścieków przemysłowych nie można oczyszczać w konwencjonalnych/biologicznych oczyszczalniach ścieków. Mikroorganizmy obecne w typowych reaktorach biologicznych po prostu nie byłyby w stanie metabolizować większości barwników.

Hydrożelowy sorbent chitozanowy po sorpcji barwnika© Uniwersytetet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie

TŚ: W jaki sposób zatem można radzić sobie z dekoloryzacją ścieków?

TJ: Dotychczas opracowano wiele technologii dekoloryzacji ścieków, bazujących głównie na metodach fizykochemicznych. Wśród nich wymienić można metody strąceniowe (koagulacja, elektrokoagulacja), metody pogłębionego utleniania (np. ozonowanie), metody membranowe (np. ultrafiltracja, odwrócona osmoza) czy też naświetlanie. Obecnie wśród wielu naukowców panuje pogląd, że najbardziej przyjaznymi dla środowiska są metody sorpcyjne.

Dekoloryzacja ścieków na drodze sorpcji, polega na wiązaniu rozpuszczonych w ściekach barwników na materiale sorpcyjnym (sorbencie). Obecnie najczęściej wykorzystywanymi sorbentami w procesach oczyszczania ścieków są węgle aktywne. Komercyjne sorbenty na bazie węgli aktywnych są jednak dość drogie.

TŚ: I dlatego Pana zespół testuje m.in. łupiny orzechów, łuski po nasionach, liście i łodygi roślin uprawnych?

TJ: Dokładnie, poszukujemy tańszych alternatyw dla powszechnie stosowanych węgli aktywnych. W badaniach testujemy różne niekonwencjonalne sorbenty. Większość z nich stanowią materiały pozyskane z odpadów z przemysłu rolno-spożywczego. Są one zazwyczaj szeroko dostępne, a przez to i tanie. W dodatku wykorzystanie materiałów odpadowych jako surowców do produkcji sorbentów w wielu przypadkach rozwiązuje problem ich zagospodarowania.

Niektóre produkty odpadowe pochodzenia roślinnego (niejadalna biomasa roślinna), zwłaszcza te o dużej zawartości celulozy, hemicelulozy i ligniny, stanowią bardzo dobry sorbent względem większości barwników kationowych. Po odpowiedniej przeróbce można je stosować przy oczyszczaniu barwnych ścieków przemysłowych, jako zamiennik dla sorbentów komercyjnych.

Testowaliśmy do tej pory takie materiały na bazie biomasy roślinnej jak: łupiny orzechów, łuski po nasionach, liście i łodygi roślin uprawnych, a także skórki po niektórych owocach i warzywach. Właściwości sorpcyjne biomasy roślinnej względem barwników zależą od wielu rzeczy. Wśród nich wymienić można zawartość polisacharydów i drzewnika (m.in. celulozy i lignin), powierzchnię właściwą materiału oraz stopień jego uwodnienia. Oczywiście niemodyfikowana biomasa roślinna rzadko kiedy dorównuje wydajnością sorbentom komercyjnym, ale należy wziąć pod uwagę, że jest od niego wielokrotnie tańsza (więc jej wykorzystanie może się opłacać).

TŚ: Czy odpady odzwierzęce też mogą być wykorzystywane?

TJ: Materiały pochodzące z odpadów odzwierzęcych stanowią osobną grupę testowanych przez nas materiałów. Prowadziliśmy m.in. badania nad właściwościami sorpcyjnymi drobiowych piór, skorupek po jajkach, a także chityny i chitozanu, pozyskanych z pancerzy skorupiaków morskich.

Spośród wymienionych materiałów pochodzenia zwierzęcego najbardziej obiecującym sorbentem okazał się chitozan⁽¹⁾. Materiał ten stosowaliśmy najpierw w formie płatków, a potem w formie hydrożelowych granulek. Prowadziliśmy także badania nad jego modyfikacją (w celu zwiększenia trwałości i dalszej poprawy zdolności sorpcyjnych). Najlepszy opracowany przez nas sorbent chitozanowy był około 10-krotnie wydajniejsze niż komercyjny węgiel aktywny. Przykładowo 1 gram tego sorbentu był w stanie związać ponad 3 gramy barwnika ze ścieków (co jest nieosiągalne dla dostępnych na rynku węgli aktywnych).

W ostatnich latach opracowaliśmy także sposób chemicznej modyfikacji celulozy, w celu znacznego zwiększenia jej pojemności sorpcyjnej. Udało nam się dołączyć grupy aminowe do celulozy w wyniku procesu aminowania (amonizacji). Aminowany materiał celulozowy wykazywał zdolności sorpcyjne porównywalne z niektórymi rodzajami węgli aktywnych. Opracowany proces aminowania materiałów wysoko-celulozowych wykorzystaliśmy m.in. do zwiększenia wydajności sorpcyjnej trocin, bawełny, łupin słonecznika, łusek gryki oraz słomy pszenicznej. W każdym przypadku wydajność sorpcyjna testowanych sorbentów względem barwników wzrosła po modyfikacji co najmniej kilkunastokrotnie!

TŚ: Czy widzi Pan szansę na skomercjalizowanie uzyskanych rozwiązań?

TJ: Pomysł przemysłowej produkcji wysokowydajnych sorbentów chitozanowych (a także ich wykorzystania do oczyszczania ścieków) był w 2014 roku przedstawiony inwestorom. Obawę inwestorów wzbudziła jednak niska dostępność surowca do ich produkcji (pancerzy krabów i krewetek) w Polsce. Dlatego też badania nie zostały skomercjalizowane⁽²⁾.

Oczywiście nie zniechęciło to nas. Niska dostępność surowca do produkcji chitozanu na polskim rynku zainspirowała nas do opracowania metody aminowania celulozy, w celu uzyskiwania materiału, który właściwościami przypominałby chitozan. Jak już wcześniej wspomniałem, udało się nam. Widzimy tu kolejną szansę na skomercjalizowanie wyników badań.

Rozmawiała Katarzyna Zamorowska
Dyrektor ds. komunikacji