Název projektu
Využití konvenčních polymerů a jejich udržitelnějších alternativ pro čištění ovzduší a vod
Kód
SP2026/080
Předmět výzkumu
Projekt se zaměřuje na hlubší porozumění nejčastějších zastupitelů polymerů, jak konvenčního, tak zelenějšího, respektive polyvinylidenfluroridu (PVDF) a acetátu celulózy, v dekontaminační aplikaci vzduchu a vody. PVDF patří mezi nejrozšířenější polymer užívaný v membránových separacích, avšak oblast nakládání s použitými PVDF membránami je stále předmětem výzkumu. PVDF polymer je ze své podstaty odolný díky přítomnosti velmi pevné kovaletní C-F vazby, což tomuto polymeru dává velkou mechanickou stabilitu, ale také nízkou degradabilitu. Z výše uvedených důvodů byl PVDF vybrán jako modelový materiál pro první téma tohoto návrhu projektu, které bude zaměřeno na degradaci PVDF ve formě nanovlákenné textilie, která by mohla sloužit pro výrobu respirátorů. S ohledem na rostoucí počet detekovaných uvolněných fragmentů syntetických polymerů (tj. mikro a nanoplastů) v prostředí, je nutné zkoumat míru jeho degradace. Proto byl vybrán jako materiál do jednoho ze dvou témat projektového návrhu, který bude pojednávat zejména o jeho degradaci po použití FFP2 respirátorů, ve kterých PVDF slouží ve formě nanovlákenné vrstvy pro záchyt částic na úrovni desítek až stovek nm. V druhém tématu aplikační sféry bude projekt zaměřen na udržitelnější alternativu, a to acetát celulózy a jeho využití v jeho porézní a nanovlákenné formě pro čištění vod a separaci mikropolutantů za pomocí jeho fyzikálně-chemické modifikace. Hodnocena bude vhodnost materiálů z hlediska funkčnosti a udržitelnosti s ohledem na celý životní cyklus případného produktu, tedy v jednotlivých krocích od přípravy přes aplikaci až po konečnou degradaci. Obě témata v rámci projektu mají společného ukazatele: přípravu a charakterizaci polymerních membrán, avšak s ohledem na fyzikálně-chemické vlastnosti vybraných polymerů se jejich uplatnění liší.
Metodologie
Téma 1: Aplikační sféra dekontaminace vzduchu – využití PVDF nanovlákenných membrán ve FFP2 respirátorech a jejich post-aplikační chování s ohledem na uvolňování submikro- a nanoplastů po fyzikálně-chemickém působení
• Příprava polymerní membrány z PVDF: electrospinning
• Charakterizace (SEM, FTIR, kontaktní úhel)
• Hodnocení stability – UV-degradace, míra uvolňování polymerních částic a jejich detekce pomocí STEM, ATR-FTIR, DLS
Nanotextilie budou v laboratoři připraveny metodou elektrospinningu (technika Nanospider) z polymerů PVDF a zároveň porovnány s komerčním a běžně dostupným výrobkem. Polymery se rozpustí ve vhodných rozpouštědlech (dimethylacetamid, aceton) s ohledem na čistotu a rychlost odpařování. Zároveň bude vyzkoušeno optimální rozpouštění PVDF v tzv. green rozpouštědlech jako alternativ ke výše popsaným. Roztoky budou zpracovány elektrospinningem, přičemž se optimalizují podmínky jako napětí, vzdálenost mezi emitorem a kolektorem, teplota, vlhkost a rychlost posuvu. Cílem je získat nanotextilie s optimálním průměrem vláken a opakovatelnými vlastnostmi. Hotové vzorky budou zabaleny do hliníkové fólie, uloženy ve skleněné nádobě a analyzovány pomocí SEM (hodnocení morfologie vláken a velikostní distribuce průměru) a FTIR (verifikace chemického složení vstupního polymeru a jeho případných změn ve stuktuře).
Návrh a simulace scénáře uvolňování mikro a nanoplastů (MPs/NPs), tedy částic ve velikostním rozsahu od desítek nm do stovek μm, ze vstupní PVDF textilie zahrnuje simulaci působení UV záření (λ=365 nm), které je v reálných podmínkách složkou záření dopadajícího na zemský povrch. Simulace bude probíhat v křemenných kyvetách, kdy kousky nastříhané membrány budou osvěcovány UV zářením v řádech dní. Poté bude membrána opatrně přenesena do vodného prostředí, kdy se za pomocí ultrazvuku převedou její fragmenty do kapaliny. Tento krok je nutný z důvodu lepší manipulace s výsledným vzorkem a ochranou před uvolňováním do vzduchu. Membrána po osvitu bude charakterizována stejnými technikami jako před osvitem. Případné uvolněné fragmenty nanovlákenné membrány, tedy subMP/NP budou charakterizovány technikami DLS a STEM. Analýza STEM je vhodná pro objekty o velikosti v mikrometrickém i nanometrickém měřítku, budou tedy zkoumány morfologie a částečně i velikosti (délka, šířka) subMP a NP. Bude také zahrnuta FTIR analýza k určení případných změn funkčních skupin ve struktuře, především u částic submikronových, které určují následnou reaktivitu částic. Velikostní distribuce průměrů vláken a uvolněných částic bude zpracována pomocí softwarů ImageJ a Origin, popř. Matlab.
Spolu s charakterizačními technikami bude vytvořena časová křivka uvolňování subMP/NP pomocí odběru vzorků v daných časových intervalech, které budou v řádu hodin až dnů, aby bylo možné ověřit množství uvolněných částic/fragmentů. Kvantifikace částic v submikronové a nanometrické oblasti je náročná, proto se tento projekt zaměří na návrh vhodných metod, které poskytnou kvantitativní aspekt navrhovaných experimentů. Jednou z metod je stanovení počtu subMP/NP z obrazů SEM nebo HRTEM pomocí grafického softwaru ImageJ. Všechna získaná data budou podrobena statistické analýze.
Téma 2: Aplikační sféra dekontaminace vod – využití membrán na bází acetátu celulózy pro degradace mikropolutantů a studium jejich stability bude tvořeno následujícími aktivitami:
• Příprava polymerních mebrán z derivátu celulózy, konkrétně acetátu celulózy (CA), metodami casting a electrospinning
• Modifikace připravených membrán vybranými fotokatalyzátory (např. g-C3N4, modifikovaný TiO2, vybrané MOFy)
• Charakterizace (SEM, ATR-FTIR, TGA, měření kontaktního úhlu, XRD)
• Testing (průtok vody v závislosti na čase, separační účinnost) – nepřímý ukazatel degradace
• Testování degradace a mechanické odolnosti po použití - odebíráním a testováním vzorků vody v čase.
Pro přípravu polymerních CA membrán bude použita castingová metoda a electrospinning. Rozpuštění CA proběhne ve dvou rozpouštědlech, a to konkrétně v jednom konvenčním a jednom ze „zelených“ alternativ s ohledem na jeho charakter vzhledem k daným metodám (rychlost odpařování, mísitelnost s vodou, apod). Cílem je porovnání metod castingu a electrospinningu a efektivitu obou typ membrán pro separační účinnost. Po tomto kroku, budou vybranou vhodnější metodou pro danou aplikaci, připraveny další již modifikované membrány. Konkrétně se bude jednat o kompozitní materiály s fotokatalyzátory citlivými na viditelnou oblast světla (např. g-C3N4, modifikovaný TiO2, vybrané MOFy). Cílem bude posoudit, zda fotokatalytické materiály působí negativně na strukturu CA matrice a zda ji při procesu čištění vod degradují. Dalším sledovaným jevem bude fotokatalýza vybraného mikropolutantu a její účinnost. Všechny vzorky, ať již počáteční pro porovnání metod přípravy, či následně kompozitní budou charakterizovány pomocí výše uvedených metod a testovány na separační účinnost a průtok vody, u fotokatalyticky aktivních kompozitů bude testována rovněž jejich fotokatalytická účinnost.
Rok zahájení
2026
Rok ukončení
2026
Poskytovatel
Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy
Kategorie
SGS
Typ
Specifický výzkum VŠB-TUO
