Biopolimeri

REFERAT PREZENTIRAN NA PRVOM BiH KONGRESU O VODAMA U SARAJEVU 27,28.10.2016

NANO KOMPOZITNI MATERIJALI I BIOPOLIMERI U OBRADI OTPADNIH MULJEVA

NANO COMPOSITES AND BIOPOLYMERS IN SLUDGE TREATMENT

Dr. Edhem Salihović, dipl.ing. EWT Wassertechnologie, Ingenieurbüro für Maschinenbau, Umwelttechnik und Umweltbiotechnologie A-5020 Salzburg Richard Kürth Straße 4 , ewt@sbg.at
Ključne riječi: Obrada aktivnih muljeva, bioplimeri, nano kompozitni materijali
SAŽETAK:
U EU se godišnje upotrijebi 60.000 t polimera da bi se omogućila obrada i zbrinjavanje muljeva nastalih u obradi onečišćenih otpadnih voda. Polimeri su većinom na bazi akrilamida i općenito se smatraju neopasnim za okoliš . Zbog potencijalne toksičnosti zaostalog monomera u proizvodu koji je manji od 0,1% on ne može u sigurnosnom listu za kvaliteta vode dobiti razred nula . U cilju smanjenja pogonskih troškova rada uređaja u kojoj troškovi obrade mulja predstavljaju polovinu ukupnih troškova kao i smanjenja utjecaja akrilamida u praksi je potrebno iznalaziti nove proizvode i tehnologije obrade muljeva. Mogućnost smanjenja udjela sintetskih polimera kod obrade muljeva kao i njihova potpuna zamjena primjenom nano kompozitnih materijala i biopolimera dokazana je kroz urađene istraživačke projekte i u praktičnoj primjeni .Osim toga o našim prvim biopolimerima baziranim na celulozi postoji patentna dokumentacija (WO2003016226, DE10139829.
SUMMARY:
In the EU, the annual consumption of polymer for sludge dewatering at wastewater treatment plants is 60,000 t. Polymers are mostly based on acrylamide and are generally considered non-hazardous for the environment. Because of the potential toxicity of residual monomer in the product that is less than 0.1% he cannot get class zero in the safety sheet for water quality. In order to reduce operating costs of the WWTP in which the sludge disposal costs represent half of the total costs, as well as reducing the impact of acrylamide in practice, it is necessary to find new products and technologies for sludge treatment. The possibility of reducing the amount of synthetic polymers in the treatment of sludge and their complete replacement using nano-composite materials and biopolymers has been proven through research projects and in practical application. In addition there is a patent documentation for our first biopolymers based on cellulose (WO2003016226, DE10139829

1.0 UVODNA RAZMATRANJA

Na uređajima za pročišćavanje otpadnih voda izdvajaju se značajne količine muljeva. Za procjenu ove količine u praksi za komunalne uređaje se koristi vrijednost 45 -60 g suhe tvari po priključenom stanovniku. Za njihovo zbrinjavanje zbog cijene prijevoza i troškova odlaganja potrebno je na uređajima odvojiti što više vode. Za ovo se koristi proces prešanja ili centrifugiranja uz primjenu sintetskih polimera. U EU se godišnje upotrijebi oko 60.000 t polimera većinom na bazi akrilamida. Toksičnost poliakrilamida je uzrokovana sadržajem ne izreagiranih monomera nakon procesa polimerizacije. Proizvođačima polimera je uspjelo da ovu vrijednost drže ispod 0,1 % (težinski) a u polimerima za obradu pitkih voda manje od 500 monomera u gramu proizvoda Nepoznanice kod utjecaja poliakrilamida na okoliš su :
- akumulacija sintetskih polimera u hranidbenom
lancu;
- nastajanje potencijalno toksičnih spojeva za
vrijeme razgradnje.
U zadnjih nekoliko desetljeća, koliko su poliakrilamidi u primjeni za obradu muljeva, nije bilo slučajeva njihove štetnosti na okoliš koji bi izazvali pozornost javnog mnijenja. Zbog njihove potencijalne opasnosti se ipak u sigurnosnim listovim u stavci štetnosti na vode ne svrstavaju u nulti razred. U njemačkoj je takođe pokrenuta inicijativa da se regulira udio poliakrilamida kod obrade muljeva koji se odlažu na poljoprivredno zemljište. Osim potencijalne štetnosti na okoliš nedostatak polimera je njihova ograničena mogućnost utjecaja na povećanja suhe tvari u mulju nakon procesa obrade. Udio troškova obrade mulja može biti i do 50% ukupnih pogonskih troškova uređaja. Zbog svega ovoga potrebno je iznalaziti nove proizvode i tehnologije kako bi se umanjila potencijalna opasnost utjecaja na okoliš i poboljšao cjelokupni proces kako tehnički tako i ekonomski.

Slika 1

glukoza-sl-1
Slika 1

Slika 3

sl-3

Slika 4

shema-sl-5

2.0 BIOPOLIMERI I NANOKOMOZITI
2.1.Biopolimeri
Biopolimeri su makromolekule sintetizirane u stanicama živih organizama na osnovi genetskog koda razvijenog tijekom više miliona godina razvoja života na zemlji.U našim istraživanjama smo koristili celulozu, škrob, hitin i, hitosan. Za sve ove biopolimere je karakteristično da imaju istu molekulu monomera a to je glukoza (sl.1)
Priroda je sa različitim položajem hidroksilne grupe na prvom ugljikovom atomu i vrstom molekule na drugom ugljikovom atomu odredila namjenu ovih polimera. Hitin i hitosan imaju isti oblik molekule kao celuloza samo na položaju dugog ugljikovog atoma imaju za razliku od celoloze umjesto hidroksilne grupe acetaldemid (NHCOCH3) odnosno amin (NH2)
Celuloza je linearna molekula dok škrob sadrži dvije vrste molekula (Sl.2):
-amiloza - linearna molela molekularne težina 1x105
1x106
-amilopektin - razgranata molekula molekularne težine 1x107 - 1x109

2.1.1 Razvoj biopolimera za obradu mulja
Korištenje prirodne štirke i celuloze za poboljšavanje obrade muljeva u praksi ne pokazuju zadovoljavajuće rezultate. Kemijskom modifikacijom molekule glukoze (Sl.3) postiže se svojsvo škroba odnosno celuloze koje omogućuje njegovu primjenu u praksi.

Za razliku od škroba i celulose hitosan ima sposobnost flokulacije u osnovnom obliku što se može objasniti prisustvom istih kemijskih elemenata kao kod akrilamida (Sl.4)

U istraživačkom projekatu (2), čiji su rezultati opisani u patentoj dokumentaciji (3, 4),istraživali smo različite kemijske spojeve i biopolimere za prilagodbu molekule glukoze obradi muljeva.
2.2 Nano čestice
Molekula škroba, celuloze, hitina i histana do molekularne težine 100 su u području veličina nano čestica Ove čestice imaju posebna svojstva u odnosu na čestice istog materijala većih dimenzija. U istraživačkom projektom u oblasti proizvodnje nano čistica za obradu mulja (4) došli smo do postupka stvaranja nano čestica. (Sl.5).

2.3 Nano biokompoziti
Nanokompozit je mješavina dva ili više materijala u proizvod čija je učinkovitost u obradi mulja znatno veća od učinkovitosti sastavnih elemenata. Prema vremenu nastanka imamo one koji nastaju prije procesa obrade (nano biokompoziti 1, sl.4) i one koji nastaju za vrijeme obrade i dodatno poboljšavaju efikasnost procesa (nano-biokompoziti 2 Sl.4). Stupanj dodatnog povećanja učinkovitosti nano biokomposita- 2 ovisi o količini ekstra celularnih polimera koji sadrže oko 50% proteina. Proteini su takođe linearni biopolimeri sastavljeni od 15-10.000 amino kiselina. Njihovi bočni lanci su satavljeni od amino i karboksilnih grupa i posjeduju naboj koji kod određenog pH može postati nula (izoelektrična točka)..

 

Slika 2

Slika 5

akrilamid-sl-4

Slika 6

biomolekula-sl6

3.0 PRIMJENA NANO BIOKOMPOZITA
Postojeći sistem obrade muljeva prilagođen je primjeni poliakrilamida i sa tehničke strane funkcionira bez većih poteškoća. O primjena nanočestica kod obrade muljave mogu se naći informacije u literaturi (6). Informacije o nano- biokompoziti kao sredstvu za obradu muljeva prema našim pretraživanjima nismo mogli dobiti na internetu.
Naši nano – biokompoziti na osnovi dosadašnjih rezultata pokusa u praksi omogućuju kod određenih vrste muljeva smanjenje pogonskih troškova do 30% i količine poliakrilamida do 80% (7). Osim područja obrade muljeva zbog svojih ne toksičnih svojstava veliki mogućnost primjene nano biokompozita je i kod zaštite ispiranja zemljišta površinskim vodama (1).

4.0 ZAKLJUČCI

Nano biokompoziti kao novi proizvod za obradu muljeva imaju prednost u odnosu na sintetske polimere kod procesa u ekološki osjetljivim ili zaštićenim područjima. Rezultati pokusa u praksi pokazuju da kod pojedinih vrsta muljeva nano biokompoziti moge biti i ekonomski konkurentni postojećim polimerima koji se već nekoliko desetljeća primjenjuju u praksi kao standardni proizvod.

 

 

LITERATURA
1.Orts, W. J, Roa-Espinosa, A., Sojka, R. E, Glenn, G.
M., Imam, S. H., Erlacher, K. and Pedersen, K. S.
(2007). Use of Synthetic Polymers and Biopolymers
for Soil Stabilization in Agricultural, Construction,
and Military Applications. Journal of Materials in
Civil Engineering. 19(1):58-66

2. Salihović, E. Neue biologische Produkte für
Umwelschutz (Österreiche Forshungsförderungs
Geselschaft) 2000

3. Salihović, E. Patenti W=03016226. DE10139829
Additive for stabilising biomass

ologie-sbg.at

 

4. Salihović, E. Nanotechnologische Produkte für
Abwasserreinigung (Forschungsförderung Salzburg
Land) 2006

5. Salihović, E. Dosierstation zur Optimierung der
Klärschlammentwässerung Abwasserreinigung
(Forschungsförderung Salzburg Land) 2015

6. Bojle, N.J., Evans, G. M. (2013). Influence of
nanoparticles on the polymer conditioned
dewatering of wastewater sludges. Water Science
and Technology 67(9) 2117-23

7. www.ewt-technologie-sbg.at