Projekta nosaukums: Jaunu un inovatīvu kompozītmateriālu izstrāde ar uzlabotām sorbcijas īpašībām no Latvijas Republikā pieejamiem atjaunojamiem bioloģiskiem dabas resursiem komerciālām gaisa attīrīšanas filtrēšanas sistēmām

Projekta līguma numurs: 1.1.1.1/20/A/155

Projekta partneri: SIA "Dinair Filton"

Projekta īstenošanas termiņš: 01.01.2021.–30.11.2023. 

Projekta kopējais finansējums: 537 500.00 EUR, LU daļa 322 500.00 EUR

Projekta zinātniskais vadītājs: vadošā pētniece, Dr. chem. Gunta Ķizāne

Administratīvais vadītājs: Elīza Briede

Projekta mērķis: Izstrādāt jaunus un inovatīvus kompozītmateriālus, kas sastāvēs no radiācijas un termiski modificētām Latvijas Republikā audzētām aitu vilnas šķiedrām, ar uzlabotām gāzveida savienojumu sorbcijas īpašībām. Lai aizstāvētu intelektuālā īpašuma tiesības izstrādātajiem kompozītmateriāliem, tiks iesniegts Latvijas patenta pieteikums, izstrādāts tehniski ekonomiskais pamatojums un nākotnē tiks sagatavota komercializācijas stratēģija un pasākumu plāns. Balstoties uz izstrādātajiem kompozītmateriāliem, tiks izveidots filtra prototips komerciālām gaisa attīrīšanas sistēmām un veikta to testēšana laboratorijas mēroga ekspluatācijas apstākļos.

Projekta galvenie rezultāti u.c. informācija par projekta īstenošanu: iesniegs 3 zinātniskos rakstus publicēšanai starptautiskos žurnālos vai konferenču apskatos, kam citēšanas indekss ir vismaz 50 procenti no nozares vidējā citējamības indeksa, un kas iekļauti Scopus vai Web of Science (A vai B) datu bāzēs; 6 tehniskie ziņojumi; 3 ziņojumi starptautiskās konferencēs, 6 ziņojumi vietējās konferencēs, 6 publiskie pasākumi, 3 kompozītmateriāli, 1 filtra prototips; 1 iesniegts Latvijas patenta pieteikums, 1 tehniski ekonomiskais pamatojums, 1 bakalaura darbs, un 1 maģistra darbs.

Projekta darbību īstenošana uzsākta 01.01.2021.

Projekta septītajā atskaites posmā veikti papildus uzdevumi – ir izgatavoti trīs diskveida un deviņi lielizmēra kompozītmateriāli.

Izgatavotie trīs diskveida kompozītmateriāli sastāv no kārstas vilnas šķiedrām un komerciāli pieejamas aktivētās ogles. Kompozītmateriālu izgatavošanas metodoloģija ir izvēlēta analoga sestā atskaites posma diskveida kompozītmateriālu ar aktivētu bio-ogli izgatavošanas metodoloģijai. Veikts kompozītmateriālu termiskās apstrādes eksperiments piecās dažādās temperatūrās (200, 300, 400, 500 un 600 °C), lai salīdzinātu un novērtētu izgatavoto kompozītmateriālu termiskās īpašības. Kompozītmateriālu struktūras izmaiņas pēc izkarsēšanas dažādās temperatūrās analizē ar optisko mikroskopu un Furjē transformāciju infrasarkano spektrometru.

Papildus izgatavotie deviņi lielizmēra kompozītmateriāli (15 cm x 15 cm x 0,2-0,5 cm) sastāv no vilnas kārsuma šķiedras kombinācijā ar komerciāli pieejamo aktivēto ogli. Turpināta presēšanas parametru ietekmes pārbaude.

Projekta ietvaros aizstāvēts bakalaura darbs “Biošķiedru termiska modificēšana aktivētu oglekļa šķiedru iegūšanai”.

Balstoties uz iegūtajiem rezultātiem, sagatavots un iesniegts manuskripts “Latvian Sheep Wool Fiber as a Cheap Natural Adsorbent for the Removal of Congo Red Dye from Wastewater” publicēšanai starptautiski citējamā žurnālā “Water, Air, & Soil Pollution” (ietekmes faktors: 2,520, Q2), kas ir iekļauts Web of Science un Scopus datubāzē, tā citēšanas indekss ir lielāks par 50 % no nozares vidējā citēšanas indeksa (lietišķā ķīmija, 1,6375).

Projekta ietvaros veikto eksperimentu rezultāti prezentēti divās starptautiskās zinātniskās konferencēs: 24. starptautiskajā konferencē-skolā “Viedie materiāli un tehnoloģijas” (24th International Conference – School “Advanced Materials and Technologies”, AMT 2022) ar stenda referātu “Thermal properties of sheep wool fibres stored under different conditions” un 19. Eiropas konferencē par bioloģisku molekulu spektroskopiju (19th European Conference on the Spectroscopy of Biological Molecules, ECSBM 2022) ar stenda referātu “Radiation-induced continuous effect on the secondary structure of keratin studied by FTIR spectrospectroscopy”.

Projekta piektajā atskaites posmā turpināts ilgtermiņa eksperiments par uzglabāšanas apstākļu – temperatūras, apgaismojuma, mitruma un gaisa klātbūtnes ietekmi uz vilnas kārsuma šķiedru un filca struktūras stabilitāti un īpašībām pirms radiācijas un termiskās modificēšanas soļiem. Izraisītās izmaiņas šķiedru struktūrā analizē ar elektronu paramagnētiskās rezonanses (EPR), Furjē transformāciju infrasarkanās (FTIR) spektrometriju un termogravimetrijas/diferenciāli termiskās analīzes (TG/DTA) metodi. Uzsākta termiskās modificēšanas procesa optimizācija lielākiem paraugu daudzumiem, izmantojot cauruļkrāsni. Sadarbībā ar Daugavpils Universitāti izgatavotās diskveida kompozītmateriālu sagataves ir testētas laboratorijas mēroga apstākļos, lai puskvantitatīvi novērtētu cigarešu dūmos esošo polāro un nepolāro organisko savienojumu sorbcijas īpašības ar gāzu hromatogrāfijas-masspektrometrijas (GH-MS) metodi un eksperimentāli pierādītu, ka izstrādātā tehnoloģija darbojas.

Sagatavots Tehniski ekonomiskais pamatojums (TEP), kurā ir aprakstīta risināmā problēma, piedāvātās tehnoloģijas darbības pamatprincipi, gatavības līmenis, pielietošanas iespējas, tirgus potenciāls, turpmākās attīstības plāns, patentspēja, intelektuālā īpašuma aizsardzības stratēģija, komercializācijas potenciāls un izstrādātas rekomendācijas tehnoloģijas pielāgošanai gaisa filtru tirgus prasībām.

Uzsākta kompozītmateriālu koncepcijas un sastāva optimizācija atbilstoši TEP secinājumiem un izstrādātajām rekomendācijām. Aitas vilnas filca paraugiem veikti spiediena krituma (Pressure drop) un daļiņu filtrēšanas efektivitātes mērījumi. Iegūtie rezultāti salīdzināti ar industrijā izmantotajiem materiāliem un var secināt, ka aitas vilnas filcam ir potenciāls citu materiālu aizstāšanā. Nepieciešami tālāki mērījumi variējot ar filca biezumu.

Projekta rezultāti referēti vietējā konferencē, zinātniski praktiskajā konferencē "Līdzsvarota lauksaimniecība 2022", referāta nosaukums: “Aitu vilnas pielietojuma perspektīvas kompozītmateriālu izstrādē”, ir iesniegtas un publicētas tēzes konferences rakstu krājumā.

Ņemta dalība Latvijas Universitātes 80. starptautiskās zinātniskās konferences Ķīmiskās fizikas institūta sekcijā “Nanotehnoloģijas un radiācijas procesi”, angliski nolasīti referāti un iesniegtas tēzes “Spectrometric analysis of agriculture residual fibers” (“Lauksaimniecības atlikumu šķiedru spektrometriskā analīze”) un Ķīmijas fakultātes sekcijā “Fizikālā ķīmija” referāts “Impact of Physical Pretreatment on Thermal Properties of Coursed Sheep Wool Fibers” (“Fizikālās pirmapstrādes ietekme uz aitu vilnas kārsuma šķiedru termiskajām īpašībām”). Iesniegtās tēzes ir publicētas attiecīgo sekciju tēžu grāmatās.

Projekta ceturtajā atskaites posmā vilnas kārsuma un filca šķiedru virsmas īpatnējo laukumu, morfoloģiju, ķīmisko sastāvu, šķiedru struktūru un termiskās īpašības analizē ar Braunera, Emmeta un Tellera (BET) metodi, skenējošo elektronu mikroskopiju (SEM), rentgenstaru enerģijas dispersijas (EDX), Ramana un kvadrupolu masspektrometriju (QMS). Balstoties uz iegūtajiem rezultātiem, ir sagatavots tehniskais ziņojums par vilnas kārsuma un filca šķiedru raksturojumu pirms radiācijas un termiskās modificēšanas soļiem.

Turpināts ilgtermiņa eksperiments par uzglabāšanas apstākļu – temperatūras, apgaismojuma, mitruma un gaisa klātbūtnes ietekmi uz šķiedru struktūras stabilitāti un īpašībām pirms radiācijas un termiskās modificēšanas soļiem. Izraisītās izmaiņas šķiedru struktūrā analizē ar elektronu paramagnētiskās rezonanses (EPR) un Furjē transformāciju infrasarkanās (FTIR) spektrometriju. Uzsākti vilnas paraugu izoelektriskā punkta noteikšanas eksperimenti ar mērķi salīdzināt starošanas ietekmi uz virsmas lādēto grupu īpašībām.

Sagatavots tehnoloģijas apraksts, gatavības līmeņa novērtējums, pielietošanas iespēju izvērtējums un turpmāko attīstības soļu plāns Tehniski ekonomiskajam pamatojumam (TEP). Turpināta izveidoto kompozītmateriālu sagatavju testēšana laboratorijas mēroga apstākļos, lai eksperimentāli pierādītu, ka piedāvātā tehnoloģija darbojas.

Ņemta dalība starptautiskajā zinātniskajā konferencē EcoBalt 2021 ar stenda referātu “Thermal decomposition and spectrometric analysis of irradiated keratinous fiber”.

Projekta trešajā atskaites posmā turpināts ilgtermiņa eksperiments – uzglabāšanas parametru – gaisa atmosfēras, apgaismojuma, temperatūras un relatīvā mitruma ietekmes novērtēšanai uz vilnas kārsuma šķiedru un filca struktūras stabilitāti un īpašību izmaiņām laikā. Izraisītās izmaiņas šķiedru struktūrā analizē ar elektronu paramagnētiskās rezonanses (EPR) un Furjē transformāciju infrasarkanās (FTIS) spektrometriju.

Balstoties uz iepriekš iegūtajiem termogravimetrijas/diferenciāli termiskās analīzes (TG/DTA) datiem, sadarbībā ar Latvijas Universitātes Atomfizikas un spektroskopijas institūtu termiski modificēts lielāks vilnas kārsuma šķiedru daudzums un iegūtas aktivētās ogles šķiedras ar masu ~50 mg. Termiskās modificēšanas soļu laikā izdalītie un kondensētie ogļūdeņražu savienojumi ir analizēti ar FTIS spektrometrijas metodi. Uzsākta iegūto aktivētās ogles šķiedru raksturošana ar EPR un FTIS spektrometriju, to sorbcijas īpašības novērtēs ar augstefektīvo šķidruma hromatogrāfiju (AEŠH). Izmantojot TG/DTA sistēmu analizēta jonizējošā starojuma ietekme uz vilnas kārsuma šķiedru termiskās modificēšanas procesiem. Sadarbībā ar Daugavpils Universitāti iegūti un salīdzināti šķiedru virsmas skenējošās elektronu mikroskopijas (SEM) attēli.

Sadarbībā ar Daugavpils Universitāti uzsākta Latvijas Universitātes Ķīmiskās fizikas institūtā izveidoto kompozītmateriālu sagatavju testēšana laboratorijas mēroga apstākļos un mērījumu metodoloģijas optimizācija, lai puskvantitatīvi novērtētu polāro un nepolāro organisko savienojumu sorbcijas īpašības ar gāzu hromatogrāfijas-masas spektrometrijas (GH-MS) metodi. Iegūtos datus plānots izmantot Tehniski ekonomiskā pamatojuma (TEP) sagatavošanā, lai eksperimentāli pierādītu, ka piedāvātā tehnoloģija darbojas.

Ņemta dalība starptautiskajās zinātniskajās konferencēs: 23rd International Conference – School “Advanced Materials and Technologies” (AMT 2021) ar stenda referātu “Spectrometric and thermal analysis of radiation modified natural keratinous fibers” un 11th International Conference On Advanced Vibrational Spectroscopy (ICAVS11) ar stenda referātu un flash prezentāciju “Evaluation of gamma irradiated and dyed sheep wool fibre structure changes by FTIR spectroscopy and HPLC”.

Pamatojoties uz iegūtajiem rezultātiem ir sagatavotas un iesniegtas tēzes dalībai 22nd International Scientific Conference “EcoBalt 2021”.

Projekta otrajā atskaites posmā analizēta trīs jonisko krāsvielu – metiloranža, metilsarkanā un kongo sarkanā adsorbcija uz komerciāli pieejamām aitu vilnas kārsuma šķiedrām, izmantojot augstefektīvo šķidruma hromatogrāfiju (AEŠH). Uzņemtas kongo sarkanā adsorbcijas izotermas un iegūta kvantitatīvā informācija par neapstarotu un ar gamma starojumu apstarotu vilnas kārsuma šķiedru adsorbcijas kapacitāti un mijiedarbību stiprumu. Iegūtie rezultāti ir salīdzināti ar Lengmīra, vispārīgo Lengmīra-Freindliha un Redliha-Pētersona adsorbcijas modeli. Uzsākti kongo sarkanā absorbcijas kinētikas mērījumi uz vilnas kārsuma šķiedrām pirms un pēc apstarošanas ar gamma starojumu. Turpināta poliaromātisko ogļūdeņražu un krāsvielu adsorbcijas izraisīto vilnas kārsuma šķiedru struktūras izmaiņu analīze, pielietojot elektronu paramagnētiskās rezonanses (EPR) un Furjē transformāciju infrasarkano (FTIR) spektrometriju. Uzņemti lanolīna un melanīna EPR un FTIR spektri, lai pilnveidotu vilnas kārsuma šķiedru spektru interpretāciju. Optimizēti termiskās modificēšanas soļi vilnas kārsuma šķiedru pārogļošanai un to fizikālai aktivācijai ar termogravimetrijas/diferenciāli termiskās analīzes (TG/DTA) sistēmu. Iegūtās aktivētās ogles šķiedras analizētas ar FTIR un EPR spektrometriju un sadarbībā ar Daugavpils Universitāti iegūti šķiedru virsmas skenējošās elektronu mikroskopijas (SEM) attēli. Izgatavotas trīs dažādu kompozītmateriālu sagataves (dimensijas: 5 x 5 mm) no radiācijas un termiski modificētām vilnas kārsuma šķiedrām: (1) slāņains kompozītmateriāls – šķiedras/šķiedras; (2) kombinēts kompozītmateriāls – šķiedras/pulveris; (3) maisījuma kompozītmateriāls – pulveris/pulveris.

Sadarbībā ar vilnas pārstrādes uzņēmumu “Sunākstes vilnas nams” ir izgatavoti kārsuma un filca paraugi no Latvijā audzētu aitu vilnas šķiedrām. Sagatavotie vilnas kārsuma un filca paraugi ir raksturoti ar EPR un FTIR spektrometriju. Uzsākts ilgtermiņa eksperiments uzglabāšanas parametru – gaisa atmosfēras, apgaismojuma, temperatūras un relatīvā mitruma ietekmes novērtēšanai uz vilnas kārsuma šķiedru un filca struktūras stabilitāti un īpašību izmaiņām laikā.

Pamatojoties uz iegūtajiem rezultātiem ir sagatavotas un iesniegtas tēzes dalībai divās starptautiskās zinātniskās konferencēs: 11th International Conference on Advanced Vibrational Spectroscopy (ICAVS 11) un 23rd International Conference – School “Advanced Materials and Technologies” (AMT 2021).

Projekta zinātniski-pētnieciskās darbības rezultāti popularizēti plašākai sabiedrībai pasākumā Eiropas Zinātnieku nakts 2021, prezentējot posteri “Jaunu un inovatīvu kompozītmateriālu izstrāde ar uzlabotām sorbcijas īpašībām no Latvijas Republikā pieejamiem atjaunojamiem bioloģiskiem dabas resursiem komerciālām gaisa attīrīšanas filtrēšanas sistēmām” un video materiālu.

Projekta pirmajā atskaites posmā kā analizējamo paraugu izmanto komerciāli pieejamas aitu vilnas kārsuma šķiedras. Vilnas kārsuma šķiedras raksturo ar trīs atšķirīgām un savstarpēji papildinošām metodēm: termogravimetrijas/diferenciāli termiskās analīzes (TG/DTA) metodi, Furjē transformāciju infrasarkano (FTIR) un elektronu paramagnētiskās rezonanses (EPR) spektrometriju. Izstrādāta metodoloģija vilnas kārsuma šķiedru raksturošanai un sagatavošanai turpmākiem radiācijas un termiskās modificēšanas soļiem. Izmantojot augstefektīvo šķidruma hromatogrāfiju (AEŠH), analizēta dažādu poliaromātisko ogļūdeņražu un krāsvielu adsorbcija uz vilnas kārsuma šķiedrām. Uzsākta absorbcijas izraisīto izmaiņu analīze vilnas kārsuma šķiedru struktūrā ar EPR un FTIR spektrometriju. Sadarbībā ar Scandinavian Clinics Estonia OÜ (Igaunija) vilnas kārsuma šķiedras apstarotas ar gamma starojumu (kobalta-60 izotops, absorbētās dozas: 10, 53 un 103 kGy, dozas jauda: 2,28 kGy/h). Radiācijas modificēšanas izraisītās izmaiņas vilnas kārsuma šķiedru struktūrā ir detektētas ar EPR un FTIR spektrometriju. Uzsākta termiskās modificēšanas soļa optimizēšana vilnas kārsuma šķiedru pārogļošanai un fizikālai aktivācijai, izmantojot TG/DTA sistēmu.

Projekta sestajā atskaites posmā pabeigts ilgtermiņa eksperiments par uzglabāšanas apstākļu – temperatūras, apgaismojuma, mitruma un gaisa klātbūtnes ietekmi uz kārstas un filcētas vilnas šķiedru struktūru. Vilnas šķiedras struktūras un īpašību izmaiņas analizēja ar elektronu paramagnētiskās rezonanses un Furjē transformāciju infrasarkano spektroskopiju un termogravimetrijas/diferenciāli termiskās analīzes metodi. Dažādos vides apstākļos glabātās vilnas šķiedras termiski modificētas cauruļkrāsnī. Salīdzināts iegūtās aktivētās ogles procentuālais iznākums atkarībā no termiskās modificēšanas parametriem un ar skenējošo elektronu mikroskopiju analizēta virsmas morfoloģija.

Uzsākti sagatavošanās darbi diskveida kompozītmateriālu sagatavju atdedzināšanas eksperimentam, lai novērtētu kompozītmateriālu termiskās īpašības. Izgatavoti paraugi trīs veidu vilnas šķiedru un aktivētās ogles diskveida sagatavēm: slāņaini, kombinēti un maisījuma.

Optimizēta kompozītmateriālu koncepcija, balstoties uz iepriekš iegūtajiem rezultātiem un izstrādātajām rekomendācijām tehniski ekonomiskajā pamatojumā. Izgatavoti lielizmēra kompozītmateriāli (15 cm x 15 cm x 0,2-0,5 cm), izmantojot vilnas kārsuma šķiedras kombinācijā ar komerciāli pieejamo aktivēto ogli. Pārbaudīti vairāki termiskās presēšanas parametri: temperatūra (temperatūru diapazons 120-180 °C), izturēšanas laiks (0,5; 1; 3; 6 un 12 h) un vilnas šķiedru un aktivētās ogles savienošanas paņēmieni: kratīšana, maisīšana, ar ogles masas pārākumu un precīzu iesvaru. Izgatavoti deviņi lielizmēra kompozītmateriāli, tiem veikti spiediena krituma (Pressure drop) un daļiņu filtrēšanas efektivitātes mērījumi sadarbībā ar SIA “Dinair Filton”.

Pamatojoties uz iegūtajiem rezultātiem ir sagatavotas un iesniegtas tēzes dalībai 24. starptautiskā konferencē-skolā “Viedie materiāli un tehnoloģijas” (24th International Conference – School “Advanced Materials and Technologies”, AMT 2022).

Projekta zinātniski-pētnieciskās darbības rezultāti popularizēti plašākai sabiedrībai pasākumā “Ēnu dienas 2022”, kā arī vadīta ekskursija skolniekiem LU Ķīmiskās fizikas institūta Cietvielu radiācijas ķīmijas laboratorijā.

Last changed