Mikroplastid on alla 5 mm suurused polümeeriosakesed, mis on imbunud peaaegu igasse planeedi nurka, alates reoveest ja jõgedest kuni merede, pinnaseni ja lõpuks ka loodusesse. toiduahelasKuigi need tekkisid oma mitmekülgsuse ja madala hinna tõttu, kujutavad nad tänapäeval endast suurt keskkonna- ja terviseprobleemi. Paradoks on selge: nad on kõikjalolevad ja püsivad, kuid neid on väga raske tabada ja mõõta..
See väljakutse pakub ka võimalusi. Selle mõju ja kokkupuuteteede uurimise edenedes kiireneb poliitika, dekontaminatsioonitehnoloogiate ja leviku piiramise tavade väljatöötamine. Võti peitub ennetamise, püüdmise, kahjustamise ja võimaluse korral taaskasutamise kombineerimises.lahenduste integreerimine reoveepuhastusjaamades, tööstusharudes, pesumajades ja kodudes endis.
Mis nad on, kust nad pärit on ja miks nad muret tekitavad
Definitsiooni järgi hõlmab mikroplastik millimeetri suuruseid või väiksemaid kiude, fragmente ja kerasid. Need võivad olla primaarsed, mis on juba väikestes mõõtmetes toodetud koorivate kosmeetikatoodete või tehniliste puhastusvahendite jaoks, või sekundaarsed, mis tulenevad selliste toodete nagu sünteetilised tekstiilid, rehvid, värvid ja pakendid killustumisest. Kõige olulisemate allikate hulgas on tööstusgraanulid – mida nimetatakse ka nurdledeks –, 2–5 mm eelvormid, mis on loetletud standardis ISO 472:2013 ja mis moodustavad tohutu osa plasttoorainest..
Nende globaalne kohalolek on tohutu: hiljutiste hinnangute kohaselt hõljub ookeanides kümneid triljoneid osakesi. Mereorganismid peavad neid tükke toiduks, kannatades ummistuste, stressi ja filtreerivate organite või lõpuste kahjustuste all. Inimeste puhul on mõjude kohta alles tõendeid kogumas, kuid kokkupuude on pidev ning osakesi on juba tuvastatud toidus ja vees..
Nende mõõtmine on peavalu. Meetodid ei erista plaste alati teistest materjalidest millimeetrist väiksemates mõõtkavades ning alla 0,3 mm, eriti mikroni ja nanomeetri vahemikus, puudub universaalne analüütiline konsensus. Standardite puudumine raskendab erinevate tehnoloogiate toimivuse võrdlemist ja nõudlike eeskirjade väljatöötamist..
Selle olukorraga silmitsi seistes tekivad rahvusvahelised algatused plasti ja mikroplasti merre sattumise peatamiseks. Institutsioonilised kampaaniad ja ÜRO resolutsioonid püüavad piirata nende esinemist, sealhulgas keelavad mitmes riigis kosmeetikas mikrograanulid. Ennetamine on ülioluline, kuid ka püüdmis- ja lagundamislahendusi on vaja kohtades, kus neid saab kõige paremini töödelda..
Tavapärased reoveepuhastite töötlusviisid: piirid, setted ja vee-mulla dilemma
Reoveepuhastid on projekteeritud orgaanilise aine, toitainete (nt lämmastik ja fosfor) ning tahkete ainete eemaldamiseks, mitte mikroplasti vastu võitlemiseks. Sellegipoolest on nende mehaanilised, bioloogilised ja keemilised liinid Nad püüavad osa neist osakestest kinni filtreerimise või flokkide ja sadestiste külge kleepumise teel. Probleem on selles, et mida rohkem nad veest eemaldavad, seda rohkem seda lõpuks sette sisse koguneb..
Muda võib sisaldada kümneid kuni üle 180 osakese grammi kohta kuivaines ning seda kasutatakse sageli põllumajandusmaale või haljastusprojektidesse selle väetava väärtuse tõttu. Uuringud näitavad, et mikroplasti koormus maismaakeskkonnas võib olla 4–23 korda suurem kui ookeanides leiduv. See tekitab ebamugava dilemma: kas jätad selle vette või lased maapinnale..
Aruannete kohaselt on tavapäraste mikroplastivastaste töötluste tõhusus varieeruv ja mõnel juhul praktiliselt olematu. Lisaks ei ole seadusandlus alati piisav: mitmes Euroopa regulatiivses raamistikus puudub endiselt selgesõnaline piirnorm töödeldud reovee mikroplastile. Ilma selgete eesmärkideta kipuvad investeeringud nende kontrolli parandamiseks edasi lükkuma..
Mõned tertsiaartehnoloogiad paistavad silma oma kinnipidamisvõime poolest. Üks näide on membraanbioreaktorid, mis on võimelised filtreerima submikronilisel skaalal. Edasijõudnud katseprojektides on need tehased analüüsimiseks kontsentreerinud hõljuvaineid kuni 50 korda, mis näitab, et enamik mikroplastist suunatakse settetesse (umbes 80%), jääkfraktsioon jääb töödeldud heitvette (umbes 1–5%) ja ülejäänu püütakse kinni teistes etappides või põletatakse. Teatud analüütilistes kampaaniates ei tuvastatud membraanrongiga töödeldud vees isegi nii väikeseid osakesi kui 50 μm..
Negatiivne külg on hind: MBR-id vajavad rohkem energiat ja hooldust kui traditsiooniline settimine, mis piirab nende kasutuselevõttu, välja arvatud juhul, kui esinevad kvaliteedinõuded, ruumipiirangud või regulatiivne surve. Sellest hoolimata kaaluvad mitmed kohalikud omavalitsused neid osana lahendusest mikroplasti tulevastele piirangutele. Kui eeskirjad kehtestatakse, võivad need olla kiireks viisiks nõuetele vastavuse saavutamisel..
Tärkavad tehnoloogiad: magnetiline püüdmine, elektrokeemia ja fotokatalüüs
Lisaks tavapärastele töötlustele kiireneb arendustegevus kolmel teineteist täiendaval rindel: füüsikalised eraldusprotsessid, elektrokeemilised platvormid polümeeride koaguleerimiseks või oksüdeerimiseks ning täiustatud oksüdeerimisprotsessid fotokatalüüsi abil. Eesmärk on taaskasutatud plastmaterjale energiatõhusalt ja majanduslikult tasuvalt koguda, lagundada või isegi väärtustada..
Magnetiline püüdmine ja pidevad lahendused
Üks laienev uurimissuund on selektiivne aglomeratsioon magnetiliste materjalide abil. See lähenemisviis hõlmab anorgaanilise absorbendi doseerimist, mis kleepub plastosakestele, moodustades agregaate. Tänu absorbendi magnetilistele omadustele eraldatakse agregaat välise välja abil, vabastades veevoolu. Suur eelis on see, et kollektorit saab regenereerida ja taaskasutada ning mikroplastid taaskasutatakse neid kahjustamata..
Saadaval on lahendused, mis töötavad pidevalt ja ühendavad tuvastamise, loendamise ja püüdmise samas protsessivoos. Täismõõdulistes katseprojektides on linna reoveepuhastites, mis on võimelised töötlema suuri koguseid, saavutatud algkontsentratsiooni kuni 76% vähenemine. See meetod eeldab teiste võimaluste kroonilist nõrkust: osakeste sattumise takistamine sette sisse..
Tõhususe ja kulude osas pakuvad need liinid eeliseid hüdrotsüklonite ees, mis vajavad tsentrifugaaljõu jaoks märkimisväärset energiat, ja membraanide ees, mida tuleb sageli vahetada. Lisaks suudavad need püüda kinni osakesi kuni umbes ühe mikroni suurusest, edestades lahendusi, mis on efektiivsed ainult üle 5 μm suuruste osakeste puhul. Kasutusala on lai: linna- ja tööstusreoveepuhastid, tekstiilid, polümeeride tootjad, toidu- ja joogitööstus, laborid ja isegi kodumasinad.
Tuvastamine areneb ka süsteemidega, mis kvantifitseerivad mikroplasti milligrammides liitri kohta ning on integreeritud tehastesse või tööstusharudesse, et jälgida ja käivitada parandusmeetmeid. Paralleelselt ehitatakse suure vooluhulgaga seadmeid – suurusjärgus sada tuhat liitrit tunnis –, et valideerida nende skaleeritavust. Kogutud materjali taaskasutamine avab ukse isegi disainirakendustele, näiteks paneelidele või mööblile, mis on valmistatud taaskasutatud plastist..
Raudoksiidi nanolilled: püüdmine ja hävitamine kahes etapis
Materjaliteaduse valdkonnas on välja töötatud suure pindala ja kooperatiivse magnetilise käitumisega raudoksiidist nanolilled. Need nanostruktuurid kleepuvad mikroplasti külge sellistest allikatest nagu kosmeetika, magnetiseerides selle minutitega ja võimaldades selle magnetiga eemaldada. Kui need veest eraldatakse, astutakse järgmine samm: need hüdrolüüsitakse ja puutuvad kokku nanolillede endi tekitatud radikaalidega..
Radikaalide teke toimub nanoosakeste lokaalse kuumutamise teel vahelduvate magnetväljade abil, ilma veemahtu kuumutamata. Protsess toimib madalatel temperatuuridel ja on energiatõhus võrreldes protokollidega, mis töötavad umbes 90 °C juures. Soovitud tulemus on CO2 mineraliseerumine.2 ja H2Või korduvkasutatavate osakeste ja grammitasemele skaleeritud tootmise abil, mille kulud poole võrra vähenevad..
Need edusammud näitavad, et magnetoseparatsioon saab paari panna puhtad lagunemisteedlühendades aegu ja võimaldades industrialiseerimiseks atraktiivseid kompaktseid protsesse.
Elektrokoagulatsioon: lahtisest polümeerist filtreeritavaks flokkiks
Elektrokoagulatsioonis kasutatakse kuluvaid elektroode – näiteks alumiiniumist või rauast –, et vabastada katioone, mis neutraliseerivad ja aglomereerivad osakesi. Munitsipaalreovees on alumiiniumelektroodid näidanud suurepärast jõudlust mikroplastide puhul, saavutades optimeeritud tingimustes 90–100%. Elektrivälja valik ja energiahaldus on efektiivsuse ja kulude tasakaalustamisel võtmetähtsusega..
Tööpõhimõte on lihtne: metalliioonid tekitavad kohapeal koagulante, sade moodustub koos plastfraktsiooniga ja saadud tahke aine filtreeritakse või setitatakse. Seadme lihtsus, väliste reagentide piiratud tarbimine ja hõlbus integreerimine järeltöötlusena muudavad elektrokoagulatsiooni tugevaks kandidaadiks polüuretaanist väljavoolude jaoks. Nende peamine väljakutse on tekkiva sette käitlemine, mida tuleb käsitleda vastutustundlikult..
Elektrokeemiline oksüdatsioon: radikaalid, mis lõikavad polümeerahelaid
Kui eesmärk on polümeeri hävitada, on kesksel kohal elektrokeemiline oksüdatsioon. Täiustatud anoodide, näiteks booriga legeeritud teemantanoodide, abil saab reaktiivseid hapnikuühendeid – hüdroksüülradikaale, vesinikperoksiidi ja muud oksüdeerijad, mis on võimelised purustama C–H ja C–C sidemeid plastides. BDD puhul on täheldatud peaaegu 90% lagunemist tundide jooksul, mis viib CO tekkeni.2 peamise lõpptootena.
Olulised on tööparameetrid: rakendatav vool, elektrolüüdi tüüp ja kontsentratsioon ning reaktori konfiguratsioon. Nanoplasti puhul võivad sulfaatradikaalid hüdroksüülradikaalidest paremad olla, saavutades BDD-anoodidega üle 85% konversioonimäära. Peamiseks takistuseks on endiselt vajadus kõrge potentsiaali järele ja kõrvalreaktsioonide ilmnemine, mis vähendavad faraadilist efektiivsust..
Lisaks kõrvaldamisele on olemas ka väärtustamise võimalus. Elektrokatalüütilistes tingimustes on demonstreeritud PET-i muundumist tereftaalhappeks ja vesinikuks, mis on kaks tööstuslikku huvi pakkuvat produkti. See lähenemisviis integreerib ringmajanduse, kuid nõuab peenprotsesside juhtimist, et maksimeerida selektiivsust ja minimeerida parasiitseid reaktsioone..
Fotokatalüüs ja täiustatud oksüdatsiooniprotsessid
Teine võimas protsesside perekond on täiustatud oksüdeerimisprotsessid, mis põhinevad pooljuhtidel, näiteks TiO₂-l.2 või ZnO. Piisava valgustuse korral tekivad elektron-auk paarid; juhtivustsooni elektronid redutseerivad hapniku superoksiidradikaaliks, mis omakorda soodustab vesinikperoksiidi ja hüdroksüülradikaali teket. Need liigid ründavad järjestikku vaheühendeid, kuni toimub CO2 mineralisatsioon.2 ja H2O.
Reaalsetes stsenaariumides mitmekordistab eraldamise ja fotokatalüüsi kombineerimine tulemusi. Üks tööstuslikes pesumajades edukalt rakendatud lähenemisviis ühendab temperatuuri- ja korrosioonikindla keraamilise membraani – mis hoiab kinni mikroplasti ja tahkeid aineid – fotokatalüütilise reaktoriga, mis eemaldab kõik järelejäänud materjalid, sealhulgas nanoplastid ja lahustunud orgaanilised ühendid, näiteks ravimijäägid. Madala energiatarbega LED-valgustuse abil on laborikatsetes ja haigla pesumajas saavutatud 96% mikroplasti ja üle 98% tahkete ainete eemaldamine..
Ettepanek sobib ideaalselt ringmajandusse: see võimaldab vett uutes pesutsüklites taaskasutada, vähendab membraanidele pöördumatut katlakivi teket, keemilise puhastuse sagedust ja energiakulusid võrreldes ainult filtreerimisseadmete käitamisega. Hinnanguliselt võib töödeldud vesi olla isegi odavam kui magevesi, mis soodustab vedela vee nullheidet..
Järgmise sammuna on töö käimas toota neid membraane 3D-s geomeetriaga, mis optimeerib valguse püüdmist tööstuslikuks kasutamiseks. Ülikoolide ja juhtivate päikeseenergiakeskuste koostöö suurendab süsteemi skaleeritavust ja vastupidavust.
Mõõtmine ja kontrollimine: miks on TOC mineralisatsiooni vahekohtunik
Polümeeri täieliku mineraliseerumise kinnitamiseks ei piisa infrapunaribade muutuste nägemisest või fragmentide kromatograafia abil tuvastamisest. Orgaanilise süsiniku koguhulk on näitaja, mis näitab, kui palju süsinikku on süsteemis tegelikult alles.Kui orgaanilise orgaanika sisaldus langeb oodatud tasemele, on oksüdatsiooniprotsess lõppenud ja olulisi orgaanilisi jääke ei ole järele jäänud.
Tehnoloogiakeskused käitavad juba TOC-seadmeid, et valideerida nende vee dekontaminatsioonivõimet, sealhulgas mikroplasti lagundamist. Neid katseid täiendavad analüütilised meetodid vahekomponentide tuvastamiseks, kuid lõpliku otsuse määrab järelejäänud süsiniku sisaldus. Ilma range sisukorra mõõtmiseta on võimatu tagada, et protsess on liikunud kaugemale pelgast killustatusest..
Juhtumiuuringud, liidud ja tööstuslik juurutamine
Avaliku ja erasektori partnerlused kiirendavad üleminekut laborist tehaseks. Linnade reoveepuhastites on magnetilise püüdmise pilootprojektid näidanud tõhusust ja skaleeritavust ning on sõlmitud lepingud tegutsemiseks rahvusvahelistel turgudel, näiteks Austraalias, Peruus ja Colombias. Võrdlusüksuses asuvas reoveepuhastusjaamas identifitseeriti pärast vee- ja settetorustike iseloomustamist mitu polümeeri – PP, PE, PCL, PEA, akrüül, PTFE ja PU – graanulite, kiudude ja fragmentide kujul, mille kontsentratsioonid settetorustikus olid kõrgemad..
Esimese pilootprojekti tulemused näitasid mikroplasti algse kontsentratsiooni vähenemist ligi kolmveerandi võrra, mis sillutab teed selle jätkuvale rakendamisele. See tehnoloogia uhkeldab ka nulljäätmetega, kuna see võimaldab kinnipüütud materjali taaskasutada. Katsetehastega tootlikkusega 3.000–5.000 l/h ja ehitamisel oleva suure vooluhulgaga rajatisega on käimas ulatuslik laiendamine..
Samal ajal liigitavad turuaruanded tehnoloogiaperekonnad kolme rühma – füüsikalised, keemilised ja bioloogilised. Füüsikalise poole pealt uuritakse tekstiilfiltrite kohandamist virnastatud materjaliga (PCM) 3D-osakeste kinnipidamiseks, kuigi nende toimivus nanoplastide vastu on veel tõestamata. Samuti on esile tõstetud lahendused ettevõtetelt, kes on spetsialiseerunud erinevate tööstuskeskkondade filtreerimisele..
Aruandes käsitletakse raudoksiididega —Fe — seotud magnetilisi uuendusi.2O3— võimeline mikroplasti ligi tõmbama ja aglomereerima magnetite abil eraldamiseks, kusjuures hiljuti on tehtud investeeringuid ja plaanitakse magnetiliste osakeste taaskasutamist. Väljakutse seisneb selle täieliku taastumise tagamises ja selle ulatusliku keskkonnamõju hindamises..
Regulatsioonid ja juhtimine: puuduv lüli
Kuigi teadus areneb, liigub avalik poliitika erinevas tempos. Mõned riigid on kosmeetikas mikrograanulid juba keelustanud ning rahvusvahelised raamistikud nõuavad mereprügi ja mikroplasti vastase poliitika prioriseerimist. Sellegipoolest ei ole paljudes Euroopa piirkondades töödeldud reoveele selgeid piiranguid ega ole ka kontrollimehhanismid õigusaktidesse täielikult integreeritud. Ilma standardiseeritud analüütilise raamistiku ja selgete nõueteta muutub tehnoloogiate võrdlus kallutatud ja kasutuselevõtt aeglustub..
Tulevikku vaadates on oodata raamistike tekkimist, mis nõuavad nende osakeste jälgimist ja vähendamist nii reoveepuhastites kui ka veemahukates tööstusharudes. See eeldab investeerimist süsteemidesse, mis mõõdavad ja tegutsevad reaalajas, kombineerides ennetusmeetmeid – näiteks kiudude püüdmise abil kodumajapidamistes ja tööstuslikes pesumajades – töökindlate eemaldamistehnoloogiatega. Mida varem heitgaaside kraan kinni keeratakse, seda lihtsam on vältida probleemi levikut pinnasesse sette kaudu..
Ennetamine, ringlus ja reaalmajandus
Kontrollikulud on väiksemad, kui jäätmete teket ennetatakse. Ühekordselt kasutatavate plastide kasutamise vähendamine, vähem osakesi eraldavate rehvimaterjalide täiustamine ja pesumasinate püüdmisseadmete arendamine on suure mõjuga strateegiad. Sellistes sektorites nagu tekstiili- või toidu- ja joogitööstus hoiab varajase avastamise ja kogumise integreerimine ära mikroplasti jõudmise sette või toodeteni..
Väärtuse suurendamine on veel üks hoob. Mikroplastide taaskasutamine ilma neid lagundamata võimaldab neid töödelda plaatideks või mööbliks, integreerides need ringmajanduse väärtusahelatesse. Kui eesmärk on need jäädavalt kõrvaldada, siis on eesmärgiks TOC-kontrollitud mineraliseerimine. Mõlemad rajad, nii ringlussevõtt kui ka mineraliseerumine, on ühilduvad ja aktiveeritakse olenevalt kontekstist ja polümeerist..
Sellel teelahkmel tegeleb tööstusharu juba võimsate numbritega: süsteemid, mis on võimelised töötlema tuhandeid kuni sadu tuhandeid liitreid tunnis, vähendades püüdmist ligi 80% ja lagunemist enam kui 90%, kui kasutada hästi läbimõeldud elektrokeemiat või fotokatalüüsi. Optimaalne otsus sõltub vee kvaliteedist, polümeeride segust, tahkete ainete sisaldusest, energiakulust ning praegustest või tulevastest regulatiivsetest nõuetest..
Taustaks on oluline mitte unustada probleemi ulatust. Iga päev satub veeringlusse tohutul hulgal aineid ning mõõtmine ise on endiselt keeruline 0,3 mm ja submikroni vahemikus. Ilma ühtse mõõdikuta on oht, et juhtimine ja investeeringute prioriseerimine jäävad tulemustest ilma või seavad eesmärgid valedele sihtmärkidele..
Kõik viitab kombineeritud lähenemisviisile: tertsiaarse töötlemise tugevdamine seal, kus see on mõttekas, probleemse mikroplasti selektiivse püüdmise rakendamine, vajadusel eraldamise ja hävitamise sidumine ning mineralisatsiooni kontrollimine orgaanilise orgaanikaga (TOC). Ennetusmeetmete lisamine pesumajadesse ja tööstusprotsessidesse mitmekordistab mõju allikal..
Lõppkokkuvõttes ei ole mikroplastile lahenduseks mitte üks imetehnoloogia, vaid lahenduste ökosüsteem, mis on kohandatud vee tüübile, plastiku osakaalule ja iga rajatise eesmärkidele. Ülikoolide, tehnoloogiakeskuste, operaatorite ja tootjate vaheliste liitudega on hüpe pilootprojektist standardini lähenemas..
Tõendite kogumit vaadates ilmneb realistlik tee: tugevdatud ja hästi auditeeritud tavapärased töötlusviisid, membraanid ja MBR vajadusel, magnetiline püüdmine odava juhtkangina, elektrokoagulatsioon voolude poleerimiseks tahkete ainetega ja oksüdeerimisplatvormid – elektrokeemilised või fotokatalüütilised – olukordades, kus hävitamine on asjakohane. Usaldusväärsete mõõtmiste ja selgete standardite abil saab labori ja tehasest väljuva vee vahelise lõhe kiiresti sulgeda..