Kontekst badania
W szpitalach powstają znaczne ilości ścieków pralniczych zawierających mikroplastiki (MP), pochodzące głównie z tkanin i materiałów medycznych. Zmieniające się przepisy dotyczące mikroplastików wymagają zastosowania skutecznych technologii oczyszczania w celu zmniejszenia ich emisji do środowiska. Tradycyjne metody, jak m.in. oczyszczanie mechaniczne czy biologiczne, często nie radzą sobie z usuwaniem mikroplastików, co wskazuje na potrzebę zastosowania innowacyjnych metod.
Cele i hipotezy
Głównym celem badań opisanych w niniejszej pracy było sprawdzenie skuteczności usuwania mikroplastików i innych zanieczyszczeń ze ścieków ze szpitalnych pralni za pomocą membran ceramicznych i reakcji fotokatalitycznych. Badania zakładały, że kombinacja ultrafiltracji (UF) i reakcji fotokatalitycznej z membraną Ce-Y-ZrO₂/TiO₂ pozwoli osiągnąć wysoką skuteczność oczyszczania i zmniejszyć koszty eksploatacyjne poprzez ograniczenie foulingu membrany.
Metody badawcze
Badanie przeprowadzono w dwóch etapach: (1) wstępnym oczyszczaniu za pomocą membrany ceramicznej ZrO₂, (2) dalszym oczyszczaniu w fotokatalitycznym reaktorze membranowym (PMR).
W pierwszym etapie wybrano membranę UF ZrO₂ ze względu na lepszą odporność na fouling. Drugi etap obejmował fotokatalityczną membranę Ce-Y-ZrO₂/TiO₂, stosowaną w warunkach z oświetleniem i bez oświetlenia LED oraz z przepłukiwaniem (BF), co miało na celu ograniczenie nieodwracalnego foulingu.
Rezultaty badań i ich interpretacja
W przeprowadzonych badaniach stwierdzono, że połączenie ultrafiltracji z membraną ceramiczną ZrO₂ oraz zastosowanie fotokatalitycznej membrany Ce-Y-ZrO₂/TiO₂ w reaktorze membranowym (PMR) pozwala na efektywne usuwanie mikroplastików oraz redukcję zanieczyszczeń organicznych ze szpitalnych ścieków pralniczych. W pierwszym etapie ultrafiltracja z użyciem membrany UF ZrO₂ pozwoliła usunąć 96% mikroplastików oraz ponad 98% zawiesin i mętności, co znacząco zmniejszyło obciążenie i ryzyko foulingu w etapie następnym. Dzięki temu uzyskano znacznie czystszy permeat, odpowiedni do dalszego przetwarzania w PMR.
W drugim etapie wykorzystano fotokatalityczny reaktor membranowy z oświetleniem LED i przepłukiwaniem membrany (BF), co umożliwiło zmniejszenie nieodwracalnego foulingu oraz osiągnięcie wydajności oczyszczania na poziomie 99,9% w zakresie usuwania mikroplastików. Przepływ permeatu pod oświetleniem LED był bardziej stabilny, a przepłukiwanie co 20 minut przyczyniło się do usuwania tzw. „cake fouling”, co ograniczyło potrzebę stosowania tradycyjnego chemicznego czyszczenia membrany (CIP). Warto zauważyć, że w warunkach oświetlenia membrana wykazała lepszą hydrofobowość, co wspomogło samooczyszczanie, a także zwiększyło usuwanie substancji organicznych dzięki reaktywnym formom tlenu generowanym przez katalizator.
Efektywną redukcję zanieczyszczeń organicznych, m.in. w postaci obniżenia wartości TOC i zmniejszenia barwy permeatu, uzyskano dzięki rozkładowi substancji organicznych pod wpływem reakcji fotokatalitycznych. Dzięki temu, permeat nadawał się do ponownego wykorzystania w procesach pralniczych, co pozwalałoby na znaczącą redukcję zużycia wody w szpitalach. Jednocześnie uzyskane wyniki wskazują, że połączenie systemu filtracji z reaktorem fotokatalitycznym może być skutecznym rozwiązaniem dla gospodarki ściekami szpitalnymi zawierającymi mikroplastiki i substancje organiczne.
Ograniczenia zakresu badawczego
Jednym z istotnych ograniczeń przeprowadzonych badań była możliwość detekcji i analizy jedynie tych mikroplastików, które przekraczały rozmiar 20 µm. Oznacza to, że mniejsze cząstki mogły pozostawać w przefiltrowanym ścieku. Ze względu na to, że mniejsze cząstki mogą przenikać przez membrany, pełna ocena efektywności tej technologii może wymagać zastosowania bardziej zaawansowanych technik pomiarowych zdolnych do wykrywania mikroplastików o rozmiarach submikronowych.
Autorzy pracy nie ocenili teś kształtu i morfologii cząstek mikroplastików. Ze względu na ich różnorodność i nieregularne kształty, w tym ziarna, włókna czy fragmenty, przeprowadzenie dokładnej analizy ich przedostawania się lub pozostawania w membranach wymagałoby precyzyjnych pomiarów geometrycznych. Kształt cząstek może wpływać na ich zdolność do penetracji przez membrany i tworzenia foulingu, dlatego w przyszłości warto uwzględnić tę cechę w badaniach.
W ocenie kosztów operacyjnych pominięto również koszty kapitałowe (CAPEX) związane z zakupem i instalacją fotokatalitycznego reaktora membranowego, co może znacząco wpłynąć na ekonomiczną ocenę tej technologii na większą skalę. Pełna analiza kosztów wdrożenia tej technologii na dużą skalę wymagałaby dodatkowych badań, w tym oszacowania kosztów inwestycyjnych oraz analizy długoterminowej trwałości membran.
Wnioski
Połączenie UF ZrO₂ z membraną Ce-Y-ZrO₂/TiO₂ w systemie fotokatalitycznym skutecznie usuwa mikroplastiki z ścieków pralniczych i redukuje fouling membrany, co obniża koszty operacyjne i umożliwia ponowne wykorzystanie oczyszczonej wody. Uzyskane wyniki potwierdzają możliwość skalowania tego procesu na większą skalę oraz wskazują na ekonomiczną przewagę metody fotokatalitycznej nad konwencjonalnym CIP w aspekcie usuwania foulingu i wydłużania żywotności membrany.