Cel projektu

Przedmiotem projektu jest opracowanie kompozytowych struktur polimer-nanocząstka, posiadających założone cechy funkcjonalności, a następnie opracowanie technologii wytwarzania i doświadczalnej weryfikacji działania filtrów zbudowanych z tych kompozytów, spełniających założone parametry eksploatacyjne, konkurencyjne w stosunku do obecnie istniejących. Bazowymi materiałami poddawanymi modyfikacjom strukturalnym i powierzchniowym będą filtry wytwarzane techniką rozdmuchu stopionego polimeru lub plisowane struktury z włókien celulozowych lub szklanych. Celem będzie wytworzenie kompozycji posiadających właściwości antybakteryjne w stosunku do różnych form mikroorganizmów, dzięki którym czas pracy filtrów w środowisku wodnym i w olejach (a potencjalnie także paliwach zawierających biokomponenty) będzie wydłużony, dzięki ograniczeniu wzrostu mikroorganizmów w ich strukturze. Zaletą takich rozwiązań będzie również ograniczenie reemisji bakterii z filtra w strumieniu oczyszczanej cieczy. Dodatkową z planowanych cech produktów będzie możliwość uzyskania wzmocnienia właściwości bakteriostatycznych w wyniku ekspozycji struktury na światło o określonym zakresie długości fali. W przypadku filtrów stosowanych do biopaliw największe problemy są współcześnie obserwowane dla oleju napędowego z dodatkiem biokomponentów, które stanowią pożywkę i ich obecność sprzyja rozwojowi mikroorganizmów w paliwie. Wydzielane metabolity i biomasa organizmów obumarłych powodują powstawanie osadów zanieczyszczających paliwo oraz przyspieszających korozję aparatów.

Rozwojowi mikroorganizmów sprzyja także zawartość wody, którą należy usuwać z paliwa także ze względu na obowiązujące normy (wg PN-EN 590 200 mg/l). Filtry o działaniu antybakteryjnym mogą to zjawisko w znaczącym stopniu ograniczyć. W przypadku wytwarzania filtrów koalescencyjnych wybrane modyfikacje będą dotyczyć zmiany powinowactwa powierzchniowego włókien, w stosunku do rozdzielanych płynów, mającego wpływ na szybkość drenażu cieczy akumulowanej w strukturze filtra, a tym samym na skuteczność separacji.

Planowane efekty projektu

W wyniku realizacji projektu powstaną gotowe do wdrożenia produkty filtracyjne oraz służące do ich produkcji unikatowe technologie przeznaczone do wytwarzania kompozytowych materiałów filtracyjnych nowej generacji ukierunkowane na zastosowania w wysokosprawnych urządzeniach dla uzdatniania wody oraz filtracji płynów w przemyśle wydobywczym ropy i gazu oraz technologiach sprężania gazów. W toku badań ich przydatność jest wstępnie weryfikowana w badaniach struktur filtracyjnych (morfologii i wybranych cech funkcjonalnych). Wytworzone pełnoskalowe prototypy nowych elementów filtracyjnych są badane w warunkach odpowiadających ich użytkowaniu pod kątem wydajności i efektywności, a tym samym czasu ich pracy w warunkach zbliżonych do rzeczywistych parametrów operacyjnych (zanieczyszczenia mineralne i mikrobiologiczne, ciśnienie i temperatura wody). Badania prowadzone będą w przeznaczonych do tego celu instalacjach badawczych wg opracowanej w ramach projektu oryginalnej metodyki badań stanowiącej nowość w skali świata. W szczególności w obszarze filtracji wody zawierającej bakterie nie istnieją standardowe metody testowe, które umożliwiałyby określenie dynamiki wzrostu mikroorganizmów zdeponowanych w strukturze filtra i miarodajne porównanie ze sobą różnych wyrobów filtracyjnych.

Zespół realizujący projekt w Politechnice Warszawskiej

• dr hab. inż. Andrzej Krasiński, prof. uczelni – Kierownik Projektu
• prof. dr hab. inż. Leon Gradoń
• prof. dr hab. inż. Halina Garbacz (WIM)
• dr hab. inż. Maciej Pilarek, prof. uczelni
• dr hab. inż. Jolanta Mierzejewska, prof. uczelni (WCh)
• dr inż. Kamil Czelej
• dr inż. Kamil Wierzchowski
• dr inż. Piotr Wieciński (WCh)
• mgr inż. Michał Stor

Prowadzone badania

Głównym nurtem prac prowadzonych w projekcie są filtry do wody odpowiednie dla pracy w warunkach narażenia na zanieczyszczenia mikrobiologiczne. Ich obecność może w znaczący niekorzystny sposób wpływać na działanie układów filtracji (oraz urządzeń położonych dalej), powodując skrócenie żywotności elementów filtracyjnych oraz reemisję bakterii do wody oczyszczonej.

Obrazy SEM ukazujące depozycję mikroorganizmów (bakterii Escherichia Coli) w strukturze filtra polimerowego: a) depozycja bakterii na włóknie, b) bakterie obecne w błonach wydzielonej substancji EPS pomiędzy sąsiednimi włóknami

Techniki wprowadzania dodatków antybakteryjnych do filtrów włókninowych

Obraz SEM warstw pokrywających włókna filtra po modyfikacji: AgO (po lewej) i pęknięcia CuO (po prawej)

Struktura warstwy dwuskładnikowej Ag+CuO: włókna filtra z widocznymi pojedynczymi bakteriami

Zbliżenie na mikrostrukturę warstwy Ag+CuO (po prawej stronie)

Metody oceny właściwości antybakteryjnych materiałów

Schemat (po lewej) oraz zdjęcie (po prawej) układu badawczego filtrów wody

Zasada działania filtrów koalescencyjnych

Obserwowane problemy skoków ciśnienia podczas przerw w działaniu systemów filtracji gazów z mgły olejowej

Przykład modyfikacji powierzchni włókien struktury filtra koalescencyjnego

Wpływ rodzaju pokrycia powierzchni włókien filtra na profil spadku ciśnienia w czasie

Interpretacja wpływu zwilżalności na zachowanie się filtra w stanie nasycenia podczas pracy i po zatrzymaniu przepływu oczyszczanego aerozolu

Wpływ właściwości powierzchniowych warstwy drenażowej na strukturę oleju wydostającego się z elementu koalescencyjnego stosowane do rozdziału dyspersji oleju w wodzie: po lewej stronie filtr olejofilowy, po prawej stronie filtr o umiarkowanej zwilżalności olejem

Prezentacje wyników projektu - konferencje

• 2023: XIV Ogólnopolska Konferencja Naukowa "Postępy Inżynierii Bioreaktorowej” (Łódź, 25-27 września 2023); M. Stor, K. Wierzchowski, A. Krasiński, M. Pilarek: Doświadczalna weryfikacja właściwości bakteriostatycznych materiałów filtracyjnych (plakat)

• 2023: 24^th Polish Conference of Chemical and Process Engineering (Szczecin, 13-16 czerwca 2023); M. Stor, K. Czelej, A. Krasiński, L. Gradoń: Halloysite as potentially high-entropy material for advanced separation processes (plakat)

• 2023: 11^th World Congress of Chemical Engineering (Buenos Aires, 4-8 czerwca 2023); M. Stor, K. Wierzchowski, R. Kmita, A. Krasiński, M. Pilarek, J. Mierzejewska, L. Gradoń: Bacteriostatic filter media – standard test methods adapted for representative assessment of composite filters with an enhanced biofouling resistance (prezentacja)

• 2023: 11^th World Congress of Chemical Engineering (Buenos Aires, 4-8 czerwca 2023); A. Krasiński, M. Stor, L. Gradoń: Oil mist separation using coalescence filters – overcoming intrinsic operational problems by surface modification of fibrous media (prezentacja)

• 2023: FILTECH 2023 (Kolonia, 14-16 lutego 2023); A. Krasiński: The composite filter media for removal of high-concern contaminants from water (keynote lecture);

• 2022: 13^th World Filtration Congress (San Diego, 05-09 października 2022); A. Krasiński: Improvement of Coalescence Filters Performance by Coating of Polymer Fibrous Media (plakat – I miejsce w kategorii Industrial Poster)

• 2022: 13^th World Filtration Congress (San Diego, 05-09 października 2022); A. Krasiński, M. Pilarek, M. Stor, K. Wierzchowski, J. Mierzejewska, L. Gradoń: Quantitative Assays for Determination of Antibacterial Water Filters – Testing Protocols Proposal (plakat – II miejsce w kategorii Industrial Poster)

• 2022: 2^nd Global Summit on Polymer Science and Composite Materials “PolyScience2022” (Barcelona, 19-21 września 2022); J. Kacprzyńska-Gołacka, A. Krasiński, J. Smolik, L. Gradoń: Functional Polymer Fibrous Media Coated with Metallic Oxides (krótka prezentacja + plakat)

• 2022: 2^nd Global Summit on Polymer Science and Composite Materials “PolyScience2022” (Barcelona, 19-21 września 2022); A. Krasiński, M. Stor, L. Gradoń: Antibacterial Additives And Coatings Of Melt-Blown Polymer Filter Media For Extended Life-time (krótka prezentacja + plakat)

• 2022: 13^th ESBES Symposium (Bio)Process Engineering (Aachen, 12-15 września 2022); M. Stor, K. Wierzchowski, R. Kmita, M. Pilarek, A. Krasiński: Biofouling prevention in polymer filter media applied for water contaminated with bacteria (plakat)

• 2022: 13^th ESBES Symposium (Bio)Process Engineering (Aachen, 12-15 września 2022); K. Wierzchowski, M. Stor, J. Mierzejewska, M. Pilarek, A. Krasiński: Antibacterial activity of additives and coatings embedded in filter media against various microorganisms present in water (plakat)

• 2022: 31^st International Conference on Metallurgy and Materials (Brno, 18-19 maja 2022); J. Kacprzyńska-Gołacka, S. Sowa, M. Łożyńska, W. Barszcz, P. Wieciński, J. Smolik, A. Krasiński: Deposition of bactericidal AgO+CuO coatings using high-power pulsed magnetron sputtering technology (HPIMS) on polypropylene substrate (plakat)

• 2022: 48^th International Conference of SSCHE & PERMEA 2022 (Tatrzańskie Matlary, 23-26 maja 2022); A. Krasiński, M. Stor: Halloysite based composites for water cleaning technologies (plakat)

• 2022: 10^thEuropean Young Engineers Conference (Warszawa, 4-6 kwietnia 2022); M. Stor, A. Krasiński, M. Pilarek, J. Mierzejewska: Depth filtration structures with properties inhibiting the growth of microorganisms (plakat)

Publikacje wyników projektu

• M. Stor, K. Czelej, A. Krasiński, L. Gradoń, Exceptional sorption of heavy metals from natural water by halloysite particles: A new prospect of highly efficient water remediation, Nanomaterials 2023, 13, 1162
• M. Stor, K. Wierzchowski, R. Kmita, M. Pilarek, A. Krasiński; Biofouling prevention in polymer filter media applied for water contaminated with bacteria; Chemie Ingenieur Technik, 2022, 94, 9, 1369-1369
• K. Wierzchowski, M. Stor, J. Mierzejewska, M. Pilarek, A. Krasiński; Antibacterial activity of additives and coatings embedded in filter media against various microorganisms present in water; Chemie Ingenieur Technik, 2022, 94, 9, 1368-1368
• J. Kacprzyńska-Gołacka, Sylwia Sowa, Monika Łożyńska, Wioletta Barszcz, Piotr Wieciński, Jerzy Smolik, Andrzej Krasiński; Deposition of bactericidal AgO+CuO coatings using high-power pulsed magnetron sputtering technology (HPIMS) on polypropylene substrate; Metal, Proceedings 31^st International Conference on Metallurgy and Materials, 506-511, ISBN: 978-80-88365-06-8, ISSN: 2694-9296