Diatomit to ziemia okrzemkowa, naturalny minerał pochodzenia organicznego. Skały okrzemkowe powstały w okresie trzeciorzędu i czwartorzędu z pancerzyków jednokomórkowych glonów – okrzemek, które osiadły na dnie mórz i jezior. Podstawowy składnik diatomitu to krzemionka o różnym stopniu uwodnienia, której towarzyszą niewielkie ilości innych substancji mineralnych. Skład chemiczny diatomitu jest związany z miejscem jego pochodzenia. Ziemia okrzemkowa ma najczęściej barwę żółtą lub białą, a uwagę zwraca jej lekka, porowata struktura, w powiększeniu przypominająca długie rurki. Diatomit występuje w różnym stopniu rozdrobnienia – od pyłu (frakcja 0,5 µm – 100 µm) po większe fragmenty.
Materiał o wielu zastosowaniach
Diatomit to materiał stosunkowo tani, łatwo dostępny, a ze względu na unikalne właściwości – szeroko wykorzystywany. Wykazuje on interesujące cechy technologiczne: jest bezwonny, prawie obojętny chemicznie, ma niską konduktywność termiczną, dość wysoką czystość i nie jest toksyczny. Ziemia okrzemkowa występuje w dwóch wariantach. Pierwszy typ, przeznaczony jest do kontaktu z żywnością, składa się z krzemu, wapnia, sodu, magnezu oraz żelaza. Drugi typ, stosowany w przemyśle i rolnictwie, ze względu na duży poziom różnych zanieczyszczeń nie nadaje się do spożycia.
Amorficzna krzemionka została uznana przez Codex Alimentarius, czyli Kodeks Żywnościowy, jako bezpieczna dla zdrowia oraz dopuszczona przez EPA (US Environmental Protection Agency) oraz FDA (Food and Drug Administration) jako bezpieczny środek owadobójczy, bezpieczny dodatek do preparatów zwalczających larwy mącznika i inne szkodniki, składnik przeciwzbrylający stosowany w karmie dla zwierząt. Diatomit posiada także certyfikat ekologiczny Unii Europejskiej.
W ostatnich latach diatomit zyskał dużą popularność wśród konsumentów, gdyż wykazano, że systematyczne spożywanie ziemi okrzemkowej pozwala zmniejszyć poziom niekorzystnego cholesterolu (LDL) oraz triglicerydów. Wykazano także korzystny wpływ krzemu na kości oraz tkankę łączną. Krzem chroni przed osteoporozą, pomaga w oczyszczaniu przewodu pokarmowego, niweluje przykry zapach i chroni przed infekcjami. Ziemia okrzemkowa pobudza również do pracy wątrobę. Stosowana jako suplement diety może przyczynić się do poprawy kondycji włosów oraz paznokci. Krzemionka posiada ujemny ładunek elektryczny, stąd zdolność diatomitu przyciągania mniejszych cząsteczek, do których należą liczne zanieczyszczenia i szkodliwe substancje, w tym metabolity grzybów, bakterii, pestycydy oraz metale ciężkie. Diatomit można stosować w kosmetyce do pielęgnacji każdego rodzaju cery, zwłaszcza zmęczonej, wrażliwej, tłustej, trądzikowej, normalnej, mieszanej i dojrzałej, materiał ten idealnie posłuży do domowych peelingów i maseczek.
Diatomit jest stosowany w rolnictwie, sadownictwie, ogrodnictwie i uprawach domowych. Ziemia okrzemkowa dostarcza roślinie krzem oraz działa korzystnie na strukturę gleby. Ponadto odstrasza i w sposób mechaniczny zwalcza szkodniki roślin, utrzymuje odpowiedni poziom wilgoci w glebie, zmniejszając konieczność jej nawadniania. Dodatek diatomitu do gleby lub w postaci oprysków usprawnia proces fotosyntezy oraz mechanizmy antyoksydacyjne oraz ogranicza wpływ metali ciężkich na roślinę. Wszystkie wspomniane czynniki przekładają się na znaczną korzyść ekonomiczną dla właściciela upraw – poprzez zmniejszenie kosztów produkcji oraz ograniczenie start.
Wyjątkowe właściwości ziemi okrzemkowej czynią z niej materiał szeroko wykorzystywany również do procesów filtracyjnych. Szacuje się, że ponad połowa produkcji diatomitu jest wykorzystywana właśnie do celów filtracji. Ziemia okrzemkowa jest powszechnie stosowana jako medium filtracyjne w browarnictwie i w winiarstwie. W trakcie filtracji na powierzchni diatomitu zostają zatrzymane niepożądane związki powodujące zmętnienia, takie jak białka, taniny i komórki drożdży. Jednak przemysłowe wykorzystanie ziemi okrzemkowej generuje ogromne ilości odpadów. Szacunkowe zużycie ziemi okrzemkowej potrzebne do przefiltrowania 1 litra piwa wynosi od 1 do 2 gramów, ale po filtracji odpad ziemi okrzemkowej jest nawet 10-krotnie większy i wynosi ok. 17 gramów.
Drugie życie diatomitu
Zużyty diatomit składowany jest na wysypiskach, a tylko niewielka jego część podlega zagospodarowaniu. Składowanie ogromnej odpadowej masy ziemi okrzemkowej jest niebezpieczne dla środowiska naturalnego, gdyż ma negatywny wpływ na jakość wód gruntowych. Ponadto otwarte składowiska zużytego diatomitu mogą wydzielać silny, nieprzyjemny zapach, ponieważ ten odpad zawiera znaczne ilości substancji organicznej o wysokiej zawartości białka i innych związków azotowych.
Badania składu chemicznego i cech fizyko-chemicznych zużytej ziemi okrzemkowej powstałej po procesach filtracji piwa wykazały, że zawiera ona znaczne ilości organicznych związków węgla, azotu, fosforu oraz rozpuszczalne kationy Na+, Mg2+, Ca2+, K+ oraz aniony Cl-, SO42-, oraz HCO3-. Ten skład chemiczny oraz duże zdolności sorpcji wody (176,21 mm/m2) pozwalają ocenić ten odpad jako naturalny nawóz do upraw rolniczych.
Badania wykorzystania zużytego diatomitu jako nawozu wykazały, że zastosowanie tego odpadu dało średnio o 50% lepszy plon ziaren zbóż w stosunku do plonów z obszarów nawożonych obornikiem. Stwierdzono, że najlepsze właściwości jako nawóz posiada świeży odpad diatomitu, gdyż wraz z czasem składowania może wzrastać w nim zawartość metali ciężkich. Nie bez znaczenia jest fakt, że zastosowanie zużytej ziemi jako nawozu poprawia strukturę gleby. W przypadku gleb suchych, piaszczystych zastosowanie diatomitu daje możliwość lepszego zatrzymywania wody, a z kolei w przypadku gleb gliniastych – lepszego drenażu. Z uwagi na lekko alkaliczny odczyn pH, zużyty diatomit może służyć również jako nawóz odkwaszający na glebach kwaśnych.
Badania nad wykorzystaniem zużytej ziemi okrzemkowej nie dotyczą tylko jej wykorzystania w rolnictwie. Podjęto bowiem działania na rzecz przekształcenia diatomitu z materiału jednokrotnego wykorzystania w materiał podlegający całkowitej regeneracji. Z hałd zużytej ziemi okrzemkowej wyizolowano gramdodatnie bakterie Lysinibacillus fusiformis o silnej aktywności proteolitycznej. Efektem działania proteaz był rozkład zaadsorbowanych na diatomicie białek do peptydów, wolnych aminokwasów, a następnie ich rozkład do amoniaku. Tak zregenerowaną ziemię wykorzystywano później do sorpcji barwników i metali z roztworów wodnych.
Inną metodą regeneracji zużytego diatomitu może być obróbka wysoką temperaturą w atmosferze gazu obojętnego lub też wysoką temperaturą i mocnym kwasem/zasadą. Procesy te mają na celu usunięcie organicznych substancji zgromadzonych na powierzchni ziemi okrzemkowej. W procesach termicznych stosowane są temperatury od 100 do 900oC. W trakcie obróbki termicznej usuwana jest też woda. Po takim procesie i dokładnym wypłukaniu reagentów powierzchnia filtracyjna diatomitu po regeneracji wyniosła około 100 m2/g. Metody chemiczne regeneracji diatomitu wykazały wysoką skuteczność w odzyskiwaniu aktywnej powierzchni sorpcyjnej ziemi okrzemkowej. Są to metody szybkie, jednak rozważając zastosowanie takiej fizykochemicznej obróbki należy zwrócić uwagę na dość wysokie nakłady energetyczne oraz zużycie wody.
Unikatowe właściwości sorpcyjne ziemi okrzemkowej czynią z niej materiał przydatny do oczyszczania roztworów wodnych z różnych substancji toksycznych i zanieczyszczeń. Diatomit został wykorzystany do oczyszczania ścieków z barwników takich jak: błękit metylowy, żółć czy czerń reaktywna. Mechanizm sorpcji jest ściśle związany z pH roztworu, gdyż ten parametr wpływa ładunek powierzchniowy diatomitu. Istotną rolę w procesie sorpcji odgrywa grupa hydroksylowa o ładunku ujemnym. Dlatego też ziemię okrzemkową wykorzystuje się jako sorbent kationów metali ciężkich. Wyniki badań są bardzo obiecujące i potwierdzają skuteczność diatomitu jako materiału wychwytującego jony metali ze środowiska wodnego.
Zużytą ziemię okrzemkową stosuje się również jako składnik materiałów budowalnych. Jej niewielki dodatek, wynoszący 4-5%, poprawia strukturę, obniża ciężar i daje możliwość zastąpienia części recepturowego materiału wsadowego. Innym intersującym przykładem wykorzystania walorów diatomitu jest wytwarzanie tkanin termicznych. Stwierdzono że dodatek diatomitu znacznie poprawia właściwości termoizolacyjne i antybakteryjne takich materiałów.
Ziemia okrzemkowa to materiał wykazujący unikalne właściwości, które mogą być wykorzystane w wielu dziedzinach gospodarki. Dotychczas diatomit był traktowany jako materiał do jednokrotnego wykorzystania, lecz, jak wykazują liczne badania, możliwe jest przeprowadzenie procesu jego regeneracji. Możliwość kolejnego jego użycia może przynieść nie tylko efekty ekonomiczne, ale także wpływać istotnie na poprawę środowiska naturalnego.
Autorki:
Monika Szymańska, Dorota Kręgiel
Katedra Biotechnologii Środowiskowej
Wydział Biotechnologii i nauk o Żywności
Politechnika Łódzka
Literatura:
- Hossam Elden Galal Morsy Mohamed Bakr. Diatomite: Its characterization, modifications and applications. Asian Journal of Materials Science, 2010, 2(3), 121-136.
- De Namor A.F.D., El Gamouz A., Frangie S., Martinez V., Valiente L., Webb O.A. Turning the volume down on heavy metals using tuned diatomite. A review of diatomite and modified diatomite for the extraction of heavy metals from water. Journal of Hazardous Materials, 2012, 241–242, 14-31.
- Iliescu M., Farago M., Popa M., Cristea M. Reuse of residual kieselguhr from beer filtration as a fertilizer. Journal of Environmental Protection and Ecology, 2009, 10, 156-162.
- Dessalew G., Beyene A., Nebiyu A., Ruelle M.L. Use of industrial diatomite wastes from beer production to improve soil fertility and cereal yields. Journal of Cleaner Production, 2017, 157, 22-29.
- Tsai W.T., Hsien K.J., Yang J.M. Silica adsorbent prepared from spent diatomaceous earth and its application to removal of dye from aqueous solution. Journal of Colloid and Interface Science, 2004, 275, 428–433.
- Dessalew G., Beyene A., Nebiyu A., Astatkie T. Effect of brewery spent diatomite sludge on trace metal availability in soil and uptake by wheat crop, and trace metal risk on human health through the consumption of wheat grain. Heliyon, 2018, 4(9), e00783.
- Gong X., Tian W., Wang L., Bai J., Qiao K., Zhao J. Biological regeneration of brewery spent diatomite and its reuse in basic dye and chromium (III) ions removal; Process Safety and Environmental Protection, 2019, 128, 353–361.
- Ibrahim S.S., Selim A.Q. Heat treatment of natural diatomite. Physicochemical Problems of Mineral Processing, 2020, 48(2), 413-44.
- Letelier V., Tarela E., Moriconi G. Assessment of the mechanical properties of a concrete made by reusing both: Brewery spent diatomite and recycled aggregates. Construction and Building Materials, 2016, 114, 492-498.
- Shih Y-F., Wang C-H., Tsai M-L., Jehng J-M. Shape-stabilized phase change material/nylon composite based on recycled diatomite. Materials Chemistry and Physics, 2020, 242, 122498.
