– Naszym celem jest wytworzenie hybrydowego materiału włókninowego przeznaczonego do filtracji powietrza, cechującego się zarówno wysoką sprawnością filtracyjną, jak i silnymi właściwościami biobójczymi w obecności światła z zakresu widzialnego – wyjaśnia dr inż. Katarzyna Jabłczyńska z Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej PW. – Przystępując do realizacji projektu, zakładaliśmy stworzenie struktury z polipropylenowych włókien o średnicy kilku mikrometrów i powierzchni pokrytej odpowiednio zaprojektowanymi nanocząstkami fotokatalizatora, które będą prowadzić do neutralizacji bakterii i innych mikroorganizmów zdeponowanych w strukturze filtra.

Do stworzenia rysunku wykorzystano przedstawienie filtra HEPA autorstwa BruceBlaus, CC BY-SA 4.0; Żródło: Wikimedia Commons

Motywacja do działania

Utrzymanie wysokiej czystości mikrobiologicznej powietrza jest istotnym elementem ochrony zdrowia personelu medycznego oraz zabezpieczenia pacjentów przed zakażeniami wtórnymi, a jej warunkiem jest sprawne i wydajne działanie instalacji klimatyzacji i wentylacji.

– Obecnie do dezynfekcji powietrza w salach operacyjnych stosuje się między innymi lampy bakteriobójcze, emitujące promieniowanie UV-C – tłumaczy dr inż. Jabłczyńska. -  Niestety, lampy te generują pewną ilość ozonu, który niekorzystnie wpływa na ludzkie zdrowie. Z kolei porowaty materiał filtracyjny, mimo swojej skuteczności w wydzielaniu cząstek bioaerozolu, w warunkach odpowiedniej wilgotności i temperatury sam może stać się miejscem rozwoju, a tym samym źródłem, niebezpiecznych dla zdrowia patogenów w postaci bakterii, czy zarodników pleśni. Należało znaleźć nowe, lepsze rozwiązania, które pozwoliłoby na zachowanie wysokiej czystości powietrza – mówi.

Tak też się stało. Naukowcy z PW, bazując na doniesieniach literaturowych o bakteriobójczym działaniu tlenku miedzi (CuO) oraz srebra (Ag), zaproponowali modyfikację włókien za pomocą nanocząstek kompozytowych Ag/CuO wytworzonych w procesie syntezy płomieniowej, polegającej na spalaniu kropel ciekłego prekursora w płomieniu reaktora. W ten sposób metaliczny prekursor ulega utlenieniu, a powstały produkt, poprzez zarodkowanie i wzrost w fazie gazowej, tworzy stałe, krystaliczne cząstki.

- Badania naukowe pokazują, że zarówno srebro, jak i miedź posiadają znakomite właściwości antybakteryjne i antywirusowe, a struktury hybrydowe Ag/CuO, poza uwalnianiem jonów obydwu metali, dzięki swoim właściwościom fotokatalitycznym prowadzą dodatkowo do powstania silnie reaktywnych rodników i wzmocnienia efektu likwidacji patogenów – wyjaśnia dr inż. Jabłczyńska.

Międzynarodowa współpraca

W ramach realizacji założeń grantu badawczego dr inż. Katarzyna Jabłczyńska z Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej, jako kierownik projektu, wyjechała na miesiąc do Szwajcarii, by na Politechnice Federalnej w Zurychu (ETH Zürich) zdobywać praktyczną wiedzę z zakresu wytwarzania cząstek w procesach płomieniowych oraz zapoznać się z działaniem i obsługą reaktora płomieniowego. Pobyt w Zurychu był pierwszym krokiem w kierunku transferu technologii syntezy płomieniowej na Politechnikę Warszawską.

– Podczas syntezy płomieniowej nanocząstek kompozytowych Ag/CuO, przeprowadzonej na ETH  Zürich, udało nam się dobrać stężenia prekursora oraz parametry procesowe syntezy cząstek CuO, przeprowadzić syntezę nanocząstek z różną zawartością srebra oraz scharakteryzować wytworzone cząstki pod kątem rozmiaru ziaren proszku, wielkości krystalitów, składu fazowego i właściwości optycznych - wymienia dr inż. Jabłczyńska.

Przebieg badań

Pierwsze eksperymenty polegały na syntezie cząstek tlenku miedzi z prekursora w postaci neodekanianu miedzi (II) za pomocą pirolizy rozpyłowej (FSP, ang. Flame Spray Pyrolysis), w której to rozpylany prekursor jest rozpuszczony w palnym rozpuszczalniku, którego spalanie zapewnia energię potrzebną do procesu.

Po lewej: Schemat reaktora płomieniowego [na podstawie L. Madler et al. / Aerosol Science 33 (2002) 369–389]. Po prawej: Zdjęcie palnika podczas wytwarzania nanocząstek CuO w procesie FSP. Miedź nadaje zielone zabarwienie płomieniowi. Źródło: materiały nadesłane

Wytworzone w ten sposób nanocząstki miały postać ciemnobrązowego proszku. Do charakteryzacji struktury krystalicznej została użyta technika dyfrakcji rentgenowskiej – XRD, za to powierzchnię właściwą wyznaczono za pomocą pomiaru izotermy BET podczas adsorpcji azotu.

Po przeprowadzeniu wstępnych syntez tlenku miedzi, wybrano dwa zestawy parametrów procesowych, które zastosowano do produkcji nanocząstek tlenku miedzi i srebra.  Wytworzono dwie serie cząstek kompozytowych o rozmiarach kilkunastu nanometrów (synteza w otwartym płomieniu) i ponad trzydziestu nanometrów (synteza w płomieniu zamkniętym w kwarcowej rurze o długości 40 cm) i o zawartości srebra wynoszącej 0.1%, 1%, 5%, 10%, 25%.

Obiecujące wyniki

Uzyskane w procesie badawczym wyniki wyglądają bardzo obiecująco. – Badane cząstki kompozytowe Ag/CuO o średnicy 40 nm i zawartości srebra na poziomie 25%, wykazują znacznie lepsze właściwości bakteriostatyczne niż cząstki czystego tlenku miedzi i tylko nieznacznie gorsze niż cząstki czystego srebra – mówi dr inż. Jabłczyńska. – Szczególnie interesujące jest to, że w przypadku bakterii gram-ujemnych minimalne stężenie hamujące wzrost mikroorganizmów dla badanych przez nas w projekcie cząstek wynosi 20 mg/L. Oznacza to, że w przeliczeniu na masę srebra, wytworzone w procesie FSP cząstki kompozytowe są dwa razy bardziej skuteczne w hamowaniu rozwoju bakterii niż czyste srebro, dla którego to stężenie oscyluje w granicach 10 - 13 mg/L – doprecyzowuje.

Projekt "Kompozytowe struktury włóknina - nanocząstki fotokatalityczne do efektywnej filtracji powietrza zanieczyszczonego mikrobiologicznie" realizowany jest w ramach konkursu na granty badawcze Technologie Materiałowe-1.

Skład zespołu badawczego:

dr inż. Katarzyna Jabłczyńska, dr inż. Karol Ćwieka, dr inż. Kamil Czelej, mgr inż. Łukasz Werner

Źródło informacji: materiały nadesłane przez dr. inż. Katarzynę Jabłczyńską