Tehnologija

Ostanki zdravil so lahko v okolju dolgo obstojni. To pomeni, da poteka njihova biološka razgradnja (mineralizacija) v okolju zelo počasi. Dolga obstojnost teh organskih snovi je posledica njihove kompleksne zgradbe. Za njihovo razgradnjo zato potrebujemo naprednejše postopke kemijske oksidacijske. Z naprednimi oksidacijskimi procesi lahko dosežemo:
• popolno razgradnjo kompleksnih molekul (do CO2 in H2O),
• njihovo lažjo nadaljnjo biološko razgradljivost z delno razgradnjo kompleksnih molekul na manjše,
• zmanjšanje njihove strupenosti z delno razgradnjo kompleksnih molekul na manjše.

Razgradnja snovi v naprednih oksidacijskih procesih poteka običajno na osnovi tvorbe in uporabe hidroksilnih radikalov (HO•), kot tudi drugih reaktivnih oblik kisika (O•, HO2•, O3, H2O2). Tvorbo prostih radikalov lahko dosežemo s tehnologijami, ki uporabljajo v različnih kombinacijah ozon, UV sevanje, vodikov peroksid, ultrazvok, elektrokavitacijo, fotokatalizo, netermično plazmo, itd.

Tvorba hidroksilnih radikalov iz vode s pomočjo električne energije.

V zadnjem času se uveljavlja uporaba elektrolitskih celic z različnimi elektrodnimi materiali, ki omogočajo tvorbo HO• radikalov neposredno iz vode zgolj s pomočjo električne energije. V primeru čiščenja odpadne vode tvorimo HO• radikale neposredno v odpadni vodi.

V podjetju ARHEL bomo v projektu LIFE PhamDegrade v laboratorijskem merilu testirali delovanje elektrolitskih celic z različnimi elektrodnimi materiali. Učinkovitost zmanjšanja koncentracij posameznih farmacevtikov v različnih pogojih delovanja bomo ovrednotili v sodelovanju s Fakulteto za farmacijo, na Katedri za biofarmacijo in farmakokinetiko.

Elektrolitsko celico poznamo večinoma po tvorbi kisika in vodika iz vode. Potrebni sta dve elektrodi, elektrolit in generator napetosti. Odvijanje kemijskih reakcij se prične s potopitvijo elektrod v elektrolit in s povezavo na generator napetosti. Vrsta kemijskih reakcij, ki bo nastala, je odvisna od vrste uporabljenih elektrod in kemijske sestave elektrolita. V našem primeru je elektrolit odpadna voda.

V primeru uporabe z borom dopiranih diamantnih elektrod (BDDA), dosegamo na elektrodi visok kisikov nadpotencial. Visok nadpotencial omejuje nastajanje kisika in vodika, omogoča pa nastajanje kratko obstojnih hidroksilnih (HO•) radikalov neposredno iz vode, kot tudi drugih elektrokemijskih oksidantov. Preostali elektrokemijski oksidanti, ki nastajajo v vodi, so kratko obstojne oblike prostih radikalov, kot so reaktivne oblike kisika (O•, HO2•) in bolj obstojne snovi kot so Cl2, ClO-, HClO, O3, H2O2, S2O82-, in druge. Nastanek slednjih je odvisna od prisotnih raztopljenih snovi v vodi.

Tvorba hidroksilnih radikalov v elektrolitski celici ob uporabi z borom dopiranih diamantnih elektrod.

Hidroksilni radikali so zelo močni oksidanti. To pomeni, da predstavljajo zelo reaktivne molekule v aerobnih procesih kemijske razgradnje snovi. Poimenujemo jih lahko reaktivne elektrofile (imajo preferenco do elektronov), ki hitro in neselektivno reagirajo s skoraj vsemi organskimi spojinami, bogatimi elektroni.

Kompleksne organske molekule v vodi, kot so ostanki zdravil, se lahko ob njihovi prisotnosti razgradijo do ogljikovega dioksida in vode, ali na manjše molekule, ki so manj strupene in nadalje lažje biološko razgradljive. Ravno tako je postopek učinkovit v procesih dezinfekcije oziroma uničevanja nevarnih bakterij. Poleg HO^• radikalov so reaktivni elektrokemijski oksidanti še ozon, vodikov peroksid, klor in njegove spojine, itd.

Časovni prikaz zmanjšanja koncentracije antiepileptične učinkovine karbamazepina v vodi s pomočjo elektrolitske celice opremljene z BDDA.

Za namene razgradnje obstojnih organskih molekul, razbarvanja ali dezinfekcije vode so v uporabi različne elektrode, kot so grafitna, platinasta, mešano kovinsko oksidna, itd. Z borom dopirana diamantna anoda (BDDA) stopa v zadnjem času v ospredje kot anodni material z največjim potencialom tvorbe hidroksilnih radikalov. Diamant je neprevoden material. Po dopiranju z borom pa postane prevodnik in uporaben v elektrolizi.

Prednost z borom dopiranih diamantnih elektrod v primerjavi z ostalimi je njihova izjemna kemijska inertnost in trajnost. Kemijska inertnost pomeni, da se v času delovanja v vodo ne sproščajo kovinski ioni, ki bi predstavljali dodatno obremenitev vode. Hkrati je njihova življenjska doba zelo dolga. V primerjavi z ostalimi elektrodnimi materiali imajo BDDA najvišjo kapaciteto tvorbe hidroksilnih radikalov, ki pa so kratkoživi in ne predstavljajo nikakršne nevarnosti v izpustu očiščene vode.

• V procesu elektrolize nastajajo reaktivne oksidirajoče snovi potrebne za razgradnjo onesnažil neposredno v vodi in jih ni potrebno dodajati v obliki kemikalij.
• Onesnažila z oksidacijo popolnoma odstranimo iz vode s pomočjo reaktivnih oksidirajočih snovi in jih tako ne prestavljamo zgolj v drug medij.
• Kratki reakcijski časi. Kinetika elektroemijskih procesov je do 100 krat hitrejša od kinetike bioloških procesov. V kratkem času in majhnem delovnem volumnu lahko zato razgradimo tudi zelo stabilna in težko razgradljiva onesnažila.
• Ker ni potrebe po uporabi kemikalij, ni dodatnih nevarnosti, ki nastajajo ob transportu in shranjevanju kemikalij kot sta klor in ozon.
• Stopnjo čiščenja in s tem porabo energije lahko prilagajamo dejanskim potrebam čiščenja, npr. zmanjšanje strupenosti z delno razgradnjo molekul.
• Delovanje sistema lahko prilagajamo sprotnim potrebam po vodi, npr. dezinfekcija vode glede na porabljeno količino.
• Z uporabo inertnih z borom dopiranih diamantnih elektrod v vodo ne sproščamo dodatnih onesnažil, kot so npr. težke kovine, ker jih elektrode ne vsebujejo.

• Terciarno čiščenje odpadne vode za odstranitev obstojnih mikroonesnažil, kot so ostanki zdravil, fitofarmacevtskih sredstev in drugih obstojnih organskih molekul.
• Čiščenje odpadne vode s posameznih tehnoloških linij za doseganje boljše razgradljivosti odpadne vode pred vstopom v biološko čistilno napravo (ostanki aktivnih farmacevtskih učinkovin, baravila, druge obstojne organske snovi)
• Priprava vode za uporabo v industrijskih procesih (prehrambna industrija, farmacija).
• Dezinfekcija očiščene vode za ponovno uporabo za zalivanje rastlin.
• Dezinfekcija bazenske vode.
• Dezinfekcija pitne vode.