Biologická rozložitelnost polymerních systémů obsahujících PVP a syntetické zeolity

Ing. Ludmila Vaňharová

Doctoral thesis

Biodegradation of polymer systems containing PVP and synthetic zeolites

Abstract:

Disertační práce se zabývá studiem biologické rozložitelnosti polymerních systémů obsahujících polyvinylpyrrolidon (PVP), syntetický zeolit a další plniva z řady obnovitelných zdrojů. PVP je v současnosti hojně využívaným polymerem v mnoha oblastech, nicméně již několik prací upozornilo na jeho rezistenci vůči biologickému rozkladu a tudíž i na možnou hrozbu jeho kumulace v životním prostředí. Součástí práce je studie zabývající se hledáním potenciálních degradérů sledovaného polymeru v rozličných prostředích. Pro studium biologického rozkladu bylo využito laboratorních respirometrů umožňujících stanovení produkce CO2 nebo spotřeby biologického kyslíku. V rámci této části práce bylo dosaženo výsledků, které ukázaly možnost vlivu mycelia houby Pleurotus ostreatus na narušení struktury PVP. Bylo zjištěno, že důležitým faktorem je přítomnost dalšího substrátu, kterým mohl být lignin nebo lignocelulóza, které mohly iniciovat tvorbu potřebných enzymů. Hlavním předmětem práce byla příprava polymerních systémů na bázi PVP s použitím vhodného změkčovadla a plniv ve snaze podpořit biologickou rozložitelnost výchozího materiálu. Sledován byl také vliv přítomnosti Fe3+ iontů v polymerním systému na jejich fotooxidaci a následnou biodegradaci. Na základě výsledků experimentů první části disertace byly mimo jiné jako plniva voleny ekonomicky dostupné zdroje lignocelulózy a lignosulfonát vápenatý. Vzhledem k poznatkům z literární rešerše bylo sledováno i působení plniva typu biochar. Biologická rozložitelnost materiálů byla sledována taktéž pomocí laboratorních respirometrů. Připravené polymerní systémy byly podrobeny několika analýzám (infračervená spektrosko-pie, optická mikroskopie, diferenční skenovací kalorimetrie, tahové zkoušky, navlhavost, rozpustnost) pro základní charakterizaci jejich vlastností. Získány byly polymerní systémy s uspokojivými vlastnostmi pro praktické využití. Co se týká biodegradace polymerních systémů, bylo zjištěno, že plniva mohou mít mírně pozitivní vliv. Sledováno bylo také působení polymerních systémů na růst semínek rostliny Sinapis alba, pro případ jejich potenciálního využití v odvětví agrochemie. Nejzajímavějšími vlastnostmi disponovaly materiály, které obsahovaly jako plnivo biochar. V rámci růstových experimentů se ukázalo, že PVP matrice nemá negativní dopad na růst rostliny v její rané fázi, a že zvolená plniva mohou podpořit její růst.

Abstract:

This thesis deals with the biodegradability of polymer systems containing polyvinylpyrrolidone (PVP), synthetic zeolite and fillers from renewable sources. PVP is a widely used polymer in many areas. However, several studies have already highlighted the possibility of its resistance to microbial biodegradation and thus the potential threat of its accumulation in the environment. First, potential degraders of PVP from various environments were studied. To monitor biodegradation experiments laboratory respirometres were used. In this part of study, obtained results pointed at the possibility of the disruption of PVP structure by Pleurotus ostreatus mycelia. However, the important factor was the presence of another substrate, which could be lignin or lignocellulose, initiating the formation of necessary enzymes. The main subject of this study was to prepare PVP-based polymer systems using suitable plasticizer and fillers in an effort to promote the biodegradability of the materials. The influence of the presence of Fe3+ ions in the polymer system on their photooxidation and subsequent biodegradation was also studied. Based on the results of the experiments of the first part of the dissertations, economically available sources of lignocellulose and calcium lignosulphonate were chosen as fillers. According to the literature review, the effect of biochar as filler was also studied. Biodegradation of prepared materials was also observed using the laboratory respirometers. The prepared polymer systems were also subjected to several analyzes (FTIR, optical microscopy, DSC, tensile tests, water absorption, solubility) for a basic characterization of their properties. Polymer systems with satisfactory properties for practical use have been obtained. The final experiment monitored the influence of polymer composites on the growth of Sinapis alba seeds during their potential usage in the agrochemical industry. It was found that the materials with biochar content as the filler had the best mechanical properties. Regarding the biodegradation of polymer systems, it has been found that fillers can have a slightly positive effect. However, it has been shown that polymer systems have no negative effect on plant growth and the selected fillers can promote plant growth.

Keywords

polyvinylpyrrolidon, syntetický zeolit, biochar, lignosulfonát vápenatý, biologická rozložitelnost, Pleurotus ostreatus

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 4. 11. 2021

Thesis defence

• Date of defence: 27. 1. 2022
• Supervisor: doc. Ing. Markéta Julinová, Ph.D.

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Doctoral programme / field:
Chemistry and Materials Technology / Technology of Macromolecular Compounds