Rezumatul Etapei 3 (2023)

In cadrul etapei 3 (2023) a proiectului au fost realizate 3 activități de cercetare științifică. Toate activitățile au fost realizate complet și la timp, ceea ce a condus la îndeplinirea obiectivelor pentru anul 2023 și la realizarea și depășirea indicatorilor de realizare a proiectului.

Prima activitate de cercetare se referă la analiza performanțelor tehnice a 4 sorbenți inovativi utilizând apă uzată provenită de la stația de epurare a apelor uzate municipale din Iași. Deoarece probele de apă nu conțineau cantități semnificative de metale grele sau diclofenac de sodiu (DCF-Na), la aceste probe s-au adăugat cantități exacte de ioni de plumb și DCF-Na. Reținerea ionului Pb²⁺ și a DCF-Na din apa uzată pe materialul compozit s-a studiat prin metoda statică, în sistem simultan. Materialele au prezentat afinitate ridicată pentru reținerea ionilor Pb²⁺, obținându-se un grad de reținere cuprins între 92 și 96%, comparativ cu eficiența de adsorbția a DCF-Na (62-64%). Rezultate asemănătoare au fost înregistrate și în cadrul testelor de sorbție în sistem secvențial utilizând sorbentul IS/(PEI-PMAA)_r=1_. Toate materialele testate pot fi utilizate pentru reținerea ionilor metalici și a DCF-Na din apele uzate.

A doua activitate prezintă rezultatele obținute în urma testării sorbenților inovativi pe apă uzată sintetică și reală, în regim dinamic pentru îndepărtarea secvențială și simultană a poluanților emergenți. Materialele sintetizate au fost testate preliminar în îndepărtarea ionilor de Cu²⁺. Materialele reticulate puternic au prezentat capacități de sorbție sensibil mai mari comparativ cu cele reticulare slab, acestea putând fi utilizate reutilizate în cel puțin 10 cicluri de sorbție/desorbție fără să le fie afectată semnificativ capacitate maximă de sorbție. Ulterior, aceste materiale au fost testate în regim dinamic pentru îndepărtarea secvențială a ionilor metalici (Pb²⁺, Cd²⁺ și Ni²⁺) și a DCF-Na. Rezultatele experimentale obținute au arătat faptul că toate materialele testate au fost eficiente în îndepărtarea poluanților, însă capacități mari de sorbție au fost înregistrate în cadrul reținerii ionilor de Pb²⁺, iar afinitatea ionilor metalici este următoarea: Pb²⁺˃Cd²⁺˃Ni²⁺. Materialul compozit IS/(PEI-PMAA)_r=0.1prezintă cele mai mari capacități de sorbție pentru ionii metalici. Deși are un grad de reticulare mai mic față de IS/(PEI-PMAA)_r=1, capacitatea de reținere s-ar explica datorită structurii mai afânate, permițând ionilor metalelor grele să formeze legături cu un număr mai mare de grupări funcționale. Din studiul influenței concentrației inițiale asupra eficienței materialului IS/(PEI-PMAA)_r=0.1 s-a observat că odată cu creșterea concentrației inițiale s-a putut observa o scădere a volumului și timpului la care se realizează străpungerea. Acest comportament se datorează ocupării mai rapide a centrilor activi ai sorbentului cu moleculele de poluant. Modelarea matematică a datelor cinetice și de echilibru arată că valorile capacității de sorbție sunt apropiate ca valoare de cele derivate din analiza curbelor de străpungere, indicând o corelație mai bună între datele experimentale și cele obținute cu ajutorul modelelor neliniare Thomas și Yoon-Nelson.

Pentru testarea afinității și accesibilității grupărilor funcționale de pe suprafață materialele compozite au fost utilizate în teste în condiții dinamice utilizând un amestec echimolar (C_Cd2+= C_Ni2+ = C_Pb2+ = 0.1 mM), în mod continuu, succesiv. Ionii metalici au fost reținuți complet în condiții necompetitive, capacitatea totală de sorbție variind în funcție de tipul de compozit. După epuizarea coloanei cu ionii metalici, materialele au fost puse in contact cu o soluție de DCF-Na (148mg/L). Ionii metalelor grele au interacționat în interiorul învelișului organic reticulat al compozitului cu grupările funcționale active ale PEI, PAA si PMAA prin formarea de legături coordinative, în timp ce molecula de DCF, ce conține în structură o grupă carboxilică, poate interacționa electrostatic cu grupele aminice ale PEI sau prin schimb ionic cu contraionul azotat din sfera de coordinare a atomului central reprezentat pe rând de fiecare ion metalic imobilizat în rețeaua polielectrolitică a compozitului.

Activitatea 3.3 prezintă studiul de evaluare performanțelor de mediu a materialelor testate în activitatea precedentă, urmărind 2 direcții:
i) identificarea și cuantificarea impacturilor de mediu rezultate la testarea materialelor în regim dinamic,
ii) realizarea, modelarea și interpretarea unor scenarii de tip ”Ce se întâmplă dacă” (What if) pentru a evalua diverse oportunități de îmbunătățire a performanțelor de mediu prin proiectare ecologică.

Cel mai ridicat impact este generat de eliminarea ionului Ni^2+, urmat de ionul Cd²⁺ datorită eficienței scăzute în adsorbția acestora, comparativ cu ceilalți 2 poluanți (ionul Pb²⁺ si respectiv DCF-Na). Cele mai mici impacturi de mediu la eliminarea celor 4 poluanți sunt generate de materialul IS/(PEI-PAA)_r=1, în timp ce materialul IS/(PEI-PMAA)_r=0,1a generat impacturi substanțial mai mari. Aceste valori ale impactului de mediu se explica prin afinitatea în general mai bună a materialului IS/(PEI-PAA)_r=1 pentru toți cei 4 poluanți. In categoria eco-toxicitate, cel mai performant material este tot IS/(PEI-PMAA)_r=1, urmat de IS/(PEI-PMAA)_r=0,1, în timp ce IS/(PEI-PAA)_r=0,1si IS/(PEI-PAA)_r=1 au performante mai scăzute. În cadrul activității 3.4 au fost propuse 3 scenarii de proiectare ecologică pentru îmbunătățirea performanțelor de mediu. Principalul component al impactului de mediu în majoritatea categoriilor de impact îl reprezintă consumul de electricitate, acesta fiind aspectul abordat din perspectiva dezvoltării scenariilor de eco-proiectare. Au fost modelate 3 scenarii:
S1 – Optimizarea consumului de energie electrică prin realizarea mai multor etape de sorbție / desorbție simultane;
S2 – Înlocuirea energiei electrice de la rețeaua națională cu energie electrică produsă local printr-un sistem de panouri fotovoltaice;
S3 – epurarea apelor uzate rezultate cu eliminarea convențională a poluanților rezultați.
Prin optimizarea consumului de electricitate se pot scădea semnificativ impacturile în majoritatea categoriilor de impact (26-72% in categoriile relevante pentru consumul de electricitate). Trecerea de la mixul de energie național conduce la scăderi adiționale semnificative ale impacturilor în categoria schimbări climatice, radiații ionizante, consum de combustibili fosili, însă acest lucru conduce și la creșteri ale impacturilor în categoriile legate de toxicitate datorită proceselor de producție a panourilor fotovoltaice. În ceea ce privește implementarea scenariului S3, prin acesta se realizează o diminuare aproape completă a impactului de mediu în categoria eutrofizare marină ca urmare a epurării efluentului rezultat în procesele de spălare si desorbție a poluanților de pe materialul adsorbant.

go to top

Indicatori de rezultat

Articole știintifice

Bârjoveanu G., Teodosiu C*,Morosanu I., Ciobanu R., Bucatariu F., Mihai M., 2023. Life Cycle Assessment as Support Tool for Development of Novel Polyelectrolyte Materials Used for Wastewater Treatment, Nanomaterials, 13(5), 840, (Q1, IF = 5.3, ISI Web of Science), DOI: https://doi.org/10.3390/nano13050840.

Morosanu I., Bucatariu F., Fighir D., Paduraru C., Mihai M.*, Teodosiu C*, 2023. Optimization of Lead and Diclofenac Removal from Aqueous Media Using a Composite Sorbent of Silica Core and Polyelectrolyte Coacervate Shell, Polymers 2023, 15(8), 1948; (Q1, IF = 5.0, ISI Web of Science), DOI: https://doi.org/10.3390/polym15081948.

Fighir D., Paduraru C., Ciobanu R., Bucatariu F., Plavan O.A., Gherghel A., Barjoveanu G., Marcela M*., Teodosiu C*., Removal of diclofenac and heavy-metal ions from aqueous media using composite sorbents with silica core and polyelectrolyte coacervate shell in dynamic conditions, Nanomaterials, transmisa spre publicare, under review (Manuscript ID: nanomaterials-2757170).

Comunicari stiintifice

Mihai M., 2023. Polyelectrolyte-based composite materials for targeted environmental applications (Conferinta invitata), 12^th International Conference on Environmental Engineering and Management, ICEEM12, 13-16 September 2023, Iasi, Romania

Mihai M., 2023. (Multi)functional ionic polymers. Form synthesis to materials design (Conferinta invitata) 29^th PolyChar Forum – Université Côte d’Azur, 25-29 September 2023, Nice, Franta

Mihai M., 2023. Porous polymeric materials for medical and environmental applications (prezentare orala), WORKSHOP Geo Milev Campus – Eco-friendly technologies and advanced functional polymeric materials, 29 May – 02 June 2023, Sofia, Bulgaria

Lupu A.M., Paduraru C., Ciobanu R., Plavan O., Gherghel A., Fighir D., Bucatariu F., Mihai M., Teodosiu C., 2023. Heavy metals removal from aqueous solution using a regenerated silica/polyelectrolyte multilayer core-shell composite sorbent, 12^th International Conference on Environmental Engineering and Management, ICEEM12, 13-16 September 2023, Iasi, Romania (prezentare orala)

Petrila L.-M., Bucatariu F., Zaharia M.-M., Mihai M., Separation and water cleaning by composites of polyelectrolytes and inorganic microparticles, 12^th International Conference on Environmental Engineering and Management, ICEEM12, 13-16 September 2023, Iasi, Romania (oral presentation).

Ciobanu R., Fighir D., Paduraru C., Bucatariu F., Plavan O., Gherghel A., Mihai M., Teodosiu C., 2023. Fixed- bed column study for Pb(II) removal from aqueous solution using silica composite microparticles, Progress in Organic and Macromolecular Compounds Conference, MACRO Iasi 2023, 29^th edition, 4-6 October 2023

go to top