Zimna plazma sprawdza się w oczyszczaniu wód. Potrzebne reaktory i kontrola reakcji
Plazma jest nazywana czwartym stanem skupienia materii obok gazów, cieczy i ciał stałych. Tworzy się, gdy do gazu zostanie dostarczone tyle energii, że nabiera on odmiennych właściwości. W wyniku tego procesu jego atomy tracą lub zyskują elektrony, co prowadzi do powstania mieszaniny naładowanych cząstek, zdolnej do przewodzenia prądu elektrycznego. Plazma powszechnie występuje we wszechświecie. M.in. obecna jest w gwiazdach i przestrzeni międzygwiezdnej, ale również na Ziemi w zorzy polarnej i błyskawicach. Są to przykłady obecności plazmy gorącej, której temperatura może sięgać kilkunastu milionów stopni Celsjusza. Istnieje również zimna plazma, formująca się w warunkach niepowodujących ekstremalnego nagrzewania materii, a jej temperatura może być zbliżona do pokojowej. Różnica polega na tym, że w przypadku plazmy gorącej energia jest równomiernie przenoszona między wszystkimi cząstkami i dochodzi do częstych zderzeń między nimi. Natomiast w plazmie zimnej przyłożone pole elektryczne rozpędza głównie lekkie elektrony, co nie powoduje tak silnego wzrostu temperatury. Dzięki temu technologia zimnej plazmy znajduje zastosowanie w medycynie, sterylizacji, kosmetologii czy przemyśle materiałowym. Badana jest również możliwość jej wykorzystania w oczyszczalniach ścieków.
W ściekach znajdują się niezwykle trudne do degradacji związki chemiczne, których nie da się skutecznie usunąć w oczyszczalniach. Wśród nich są związki organiczne wchodzące w skład farmaceutyków, kosmetyków, barwników czy pestycydów, które niekiedy przenikają przez standardowe systemy filtracji i trafiają do zbiorników powierzchniowych, powodując pogorszenie jakości wody. Chociaż ich stężenia są zazwyczaj niskie, w wyniku długotrwałego oddziaływania mogą prowadzić do poważnych skutków dla ekosystemów wodnych, a także zdrowia człowieka. Zanieczyszczenia organiczne mogą być toksyczne, kumulować się w organizmach, zakłócać funkcjonowanie układu hormonalnego i działać rakotwórczo.
Istotnym problemem współczesnego świata jest również zanieczyszczenie środowiska wodnego mikroplastikiem, czyli drobnymi cząstkami tworzyw sztucznych o średnicy poniżej 5 mm, które powstają w wyniku rozpadu większych odpadów plastikowych. Ze względu na popularność takich tworzyw, ich masową produkcję i niewystarczająco skuteczne oczyszczanie ścieków mikroplastik jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych i narastających zanieczyszczeń wód.
Z uwagi na ograniczenia w skuteczności obecnie stosowanych metod oczyszczania ścieków musimy szukać innowacyjnych rozwiązań. Przykładem może być technologia oparta na zimnej plazmie. Sekret jej działania tkwi w niezwykle reaktywnym charakterze. Jest ona generowana w reaktorach plazmowych np. w atmosferze powietrza, gdzie do elektrod dostarczane jest wysokie napięcie, powodujące powstanie pola elektrycznego i przyspieszenie elektronów. Zderzenia tych wysokoenergetycznych elektronów z cząsteczkami powietrza powodują powstanie reaktywnych form jego składników – tlenu i azotu. Łatwo wchodzą one w dalsze reakcje chemiczne, np. z zanieczyszczeniami. Dzięki temu zimna plazma skutecznie degraduje substancje szczególnie trudne do usunięcia tradycyjnymi metodami. W efekcie powstają prostsze produkty, łatwiejsze do dalszego usunięcia lub mniej szkodliwe dla środowiska.
Technologia oparta na zimnej plazmie wykazuje również wysoki potencjał w walce z mikroplastikiem. Te drobne cząsteczki tworzyw sztucznych są nie tylko trwałymi zanieczyszczeniami, ale również działają jak „nośniki”, na których łatwo osadzają się substancje chemiczne. Badania wykazują, że mogą wiązać na swojej powierzchni nawet 20–70% zanieczyszczeń pochodzących z farmaceutyków znajdujących się w wodzie. Zastosowanie zimnej plazmy powoduje łączenie się drobin plastiku o wielkości 10–45 µm w większe skupiska. Ułatwia to usuwanie tak zagregowanego mikroplastiku (i substancji zgromadzonych na jego powierzchni) za pomocą filtracji lub sedymentacji. Technologia ta jest zatem obiecującym rozwiązaniem, które może wspomóc usuwanie z wód i ścieków jednych z najbardziej problematycznych zanieczyszczeń współczesnego świata.
Zimna plazma sprawdza się również w walce z mikroorganizmami. Chodzi tu o dezynfekcję wody i ścieków bez użycia chloru. Przez długie lata podstawowym narzędziem usuwania bakterii i wirusów było tanie i łatwe chlorowanie. Nie jest to jednak rozwiązanie bez wad. Chlor wpływa na smak oraz zapach wody, a dodatkowo w wyniku reakcji zanieczyszczeń z nim mogą powstawać szkodliwe produkty uboczne. Plazma natomiast nie wymaga stosowania chemikaliów i może skutecznie usuwać bakterie, wirusy oraz formy przetrwalnikowe mikroorganizmów. Co więcej, cały proces przebiega w temperaturach bezpiecznych dla materiałów i infrastruktury. Dzięki temu plazma może uzupełnić, a w niektórych przypadkach nawet zastąpić tradycyjne metody dezynfekcji. Byłaby szczególnie dobrym rozwiązaniem tam, gdzie kluczowe jest ograniczenie użycia substancji chemicznych.
Entuzjazm wywołany wynikami badań naukowych musi jednak zmierzyć się z rzeczywistością. Procesy sprawdzające się w niewielkiej skali nie zawsze dają się łatwo przenieść do dużych instalacji przemysłowych czy oczyszczalni. Jednym z głównych wyzwań jest zaprojektowanie odpowiednio dużych reaktorów plazmowych, które dodatkowo mogłyby pracować w sposób ciągły. Metoda oparta na zimnej plazmie wymaga dostarczania energii elektrycznej, co podnosi koszty procesu. Równie ważna jest kwestia kontroli zachodzących w niej reakcji chemicznych. Rozkład zanieczyszczeń musi być przewidywalny i bezpieczny, aby nie prowadził do powstawania niepożądanych związków chemicznych. Praktyczne zastosowanie tego podejścia wiąże się z koniecznością przeprowadzenia precyzyjnych badań w dużej skali.
Realistycznym scenariuszem jest zatem stopniowe wprowadzanie technologii plazmowych. Szczególnie obiecujące są instalacje do oczyszczania ścieków przemysłowych o jednorodnym i łatwym do kontrolowania składzie. Zimna plazma może także znaleźć zastosowanie w systemach hybrydowych jako jeden z etapów oczyszczania, wspomagający metody biologiczne oraz mechaniczne. W połączeniu z odnawialnymi źródłami energii rozwiązanie to mogłoby istotnie ograniczyć oddziaływanie całego procesu na środowisko.
Jednym z pierwszych praktycznych wdrożeń tej innowacyjnej technologii jest oczyszczanie ścieków szpitalnych. W tego typu obiektach problem szerokiego stosowania antybiotyków jest szczególnie istotny, ponieważ ich pozostałości mogą trafiać do środowiska, prowadząc do rozwoju oporności bakterii. Naukowcy wykazali, że dzięki wykorzystaniu zimnej plazmy w przyszpitalnej oczyszczalni można niemal całkowicie usunąć antybiotyki ze ścieków. Efektywność eliminacji ofloksacyny i amoksycyliny przekroczyła 99%, natomiast cyprofloksacyny i cefuroksymu – 72%. Technologia ta wykazuje duży potencjał w usuwaniu także innych zanieczyszczeń farmaceutycznych, jak leki przeciwpadaczkowe (karbamazepina), leki przeciwlękowe (diazepam), niesteroidowe leki przeciwzapalne (diklofenak i ibuprofen), hormony (17a-etynyloestradiol) czy środki kontrastowe (diatrizoat). Efektywność ich eliminacji może przekraczać 99%, ale zależy od wielu czynników, takich jak rodzaj i moc systemu plazmowego, czas ekspozycji, a także rodzaj i właściwości samego związku chemicznego. Wyniki badań wskazują, że technologie oparte na zimnej plazmie często przynoszą lepsze efekty niż klasyczne oczyszczalnie.
Kluczowym elementem oceny możliwości zastosowania technologii w praktyce jest analiza jej kosztów. Metoda oparta na zimnej plazmie charakteryzuje się stosunkowo niskim zużyciem energii elektrycznej. Szacuje się, że koszt niemal całkowitego usunięcia diklofenaku z wody wynosi ok. 32 zł/m3. Dodatkowo koszty związane z zakupem i magazynowaniem odczynników chemicznych są minimalizowane, ponieważ technologia ta nie wymaga ich wykorzystania. Te zalety w zestawieniu z wysoką efektywnością metody w zwalczaniu zanieczyszczeń chemicznych, mikrobiologicznych i mikroplastiku powodują, że może ona realnie przyczynić się do poprawy jakości środowiska wodnego.