Den před Světovým dnem vody vyhlásila Nadace partnerství výsledky studentské soutěže Pro vodu sponzorované potravinářskou společnosti Nestlé. Cílem soutěže bylo podpořit inovativní projekty hospodaření s vodou. Vítěznou práci v kategorii „Město“ vám nyní přinášíme.

Využití nanovlákenných filtrů k molekulární filtraci odpadních vod

(Vojtěch Kundrát, Masarykova univerzita, obor chemie)

Použití nanovlákenných textilií v kapalinové filtraci je perspektivní řešení problémů spojených s filtrační účinností a kapacitou. Nanovlákenné membrány umožňují záchyt bakterií, nanočástic a případně molekulární filtraci rizikových sloučenin. Poly-3-hydroxybutyrát (PHB) se nabízí jako ideální polymer z důvodu biodegradability a nerozpustnosti ve vodě. Projekt si klade za cíl použití nanovlákenných filtrů z PHB pro filtraci odpadních vod za účelem odstranění zmíněných reziduí.

Nejběžnější typ čištění odpadních vod je založen na aerobně-anaerobním způsobu dekontaminace. I přes pokroky v biotechnologickém čištění byla globálně zaznamenaná přítomnost nonylphenol polyethoxylátů, estradiolu, etronu a především ethinylestradiolu, přičemž odbourávací schopnost v čističkách odpadních vod posledních dvou zmíněných látek se pohybuje kolem 50%. Byla zjištěna souvislost zvýšené koncentrace těchto hormonálně aktivních látek s endokrinní disrupcí u vodních organismů. Závažnost tohoto problému vykazuje globální rozsah.

Omezené odbourávání se týká nejen výše uvedených látek, ale zahrnuje i široce užívané nesteroidní analgetika v čele s látkami ibuprofen, ketoprofen a naproxen. V odpadních vodách byly detekovány jako relativní persistenty i další běžně se vyskytující látky, carbamazepin (psychoaktivní sloučenina používaná při léčbě epilepsie), antibiotikum lincomycin nebo kofein. Účinky těchto látek ve stabilní, kdyžminimální koncentraci (nanogramy na litr) jsou velmi těžko odhadnutelné a přiřaditelné.

Stále častější využívání nanočástic kovů a jejich sloučenin, především oxidů, je často diskutovaným tématem z důvodu neznámých účinků na ekosféru. Příkladem často vyžívaných nanočástic mohou býtčástice stříbra s antibakteriálním účinkem nebo oxid titaničitý používaný v opalovacích krémech. Velký rozmach zažívají nanočástice oxidů železa nebo komplexovaných kovů. Problematika nanoprůmyslu zákonitě ovlivní současnou podobu úpravy vod.

Nanovlákna a textilie vzniklé jejich skládáním jsou dlouho známým fenoménem materiálového inženýrství. Nanovlákenné textílie jsou díky svým vlastnostem (vysoký měrný povrch, průměr v řádech desítek ažstovek nanometrů, prodyšnost, propustnost) přirozeně předurčeny k velmi účinným klasickým (mikro-, ultra-, nano-) i molekulárním filtracím. Schopnost nanovlákenných filtrů filtrovat bakterie, nanočástice, proteiny a jednotlivé molekuly byla již potvrzena řadou studií. Průmyslová výroba nanovláken byla efektivně zvládnuta týmem profesora Oldřicha Jirsáka v roce 2003, cožumožňuje široký rozvoj aplikační sféry. Využívá jevu, který se nazývá electrospinning.

Metoda elektrostatického zvlákňování neboli electrospinning je momentálně nejpokročilejším průmyslovým i laboratorním způsobem přípravy nanovlákenných textilií. Electrospinning je principielnězaložen na působení stejnosměrného velmi vysokého napětí na elektrodách na roztok polymeru, jehož výsledkem je děj principielně slučitelný s elektrosprejem. Mezi opačně nabitými elektrodami je relativně velký dostup řádově v centimetrech přičemž dolní elektroda slouží zároveň jako zásobník roztoku polymeru společně s různými nástavci v podobě strun, válců apod. pro vytvoření tenké vrstvy roztoku. Částečně vodivý roztok je nabit příslušným nábojem a stává se z něj mediátor náboje. Polymer z roztoku při správných podmínkách se vylučuje v podobě jemných vláken, které dopadají na tkaninu (sběrač) umístěnou před druhou elektrodou. Vzniká tím souvislá vrstva vláken, netkaná textilie (obr. 4), která má v určitých případech filtrační vlastnosti.

Využití biodegradabilních, zelených polymerů,polyhydroxyalkanoátů, v plastikářském průmyslu je považováno za slibnou alternativu vůči plastům z neobnovitelných surovin. Bioprodukce konkrétního polymeru, poly-3-hydroxybutyrátu (PHB), je dobře zvládnutá metoda připravená na průmyslovou výrobu. Polymer PHB je možné vyrábět z odpadních surovin potravinářského průmyslu, konkrétně přepáleného oleje z fritování. Bakteriální transformace je nízkoenergetický proces, který po optimalizaci dosahuje vysokých výtěžků. Výsledný polymer je možné zpracovávat do formy běžných plastů.

Elektrostatické zvláknění PHB již bylo provedeno v několika variantách, poskytujících především vlákna s průměrem mikrometrů. Pro úspěšný vznik filtru je potřeba průměru v nanorozměru. Jako cesta pro zisk takového filtru se zdá být elektrospinning z taveninyči chemická modifikace PHB a následné zvláknění.

Pro použití PHB v molekulární filtraci se nabízí chemické modifikace polymeru. PHB je možné přímou chlorací upravit na zvláknitelný polymer s obsahem chloru až 37 %. Struktura vzniklého polymeru a následné další syntetické úpravy umožňují vznik skeletu, který může nalézt uplatnění v této sféře.

Pro praktické použití je nutné zařadit tlakové zařízení s nanovlákennými flitry až za běžné čistící operace (mechanické, aerobní, anaerobní, sedimentace, případně písková tlaková filtrace). Běžnéčistící operace nezlikvidují a nezachytí zmíněné polutanty, které nanovlákenný filtr v konečné fázi odstraní. Zasazením takového zařízení až za tandem běžných čistících operací se zajistí delší doba životnosti zařízení, které by bylo nutné měnit, z důvodu zanesení pórů filtračním koláčem. Z tohoto důvodu by se zařízení skládalo z několika nezávislých filtrů pracujících paralelně ve střídavém režimu během výměny filtru.

Likvidace vzniklých zanesených filtrů by se lišila dle kvalitativního obsahu filtrované hmoty. Pro bakterie, proteiny a biomolekuly by vyhovovalo navrácení celého, mechanicky zpracovaného filtru do aerobního procesu. Vlivem biodegradabilních schopností PHB by se filtr samovolně rozložil za účasti bakterií. Tento model umožňuje i kompostaci materiálu. Pokud by produkt obsahoval těžké kovy, kontaminanty nebo perzistentní chemikálie je možné celý filtr zpracovat v ekologických spalovnách, případně recyklovat zpět po přečištění do zvlákňovacího procesu. Výhodou použitého materiálu PHB je fakt, že pochází z obnovitelných zdrojů, navíc odpadních materiálů. Byly popsány studie, kdy produkce PHB byla uskutečněna na základě sedimentačních kalů právě z čističek odpadních vod. Produkce PHB probíhá v bioreaktorech. Cena PHB za kilogram materiálu osciluje v intervalu 2-8$.

Pro zdárný výsledek projektu je nutné provést následující konkrétní kroky:

Zefektivnit a zlevnit výrobu PHB – (Tento krok je již částečně splněn a to i v České republice. Výzkumný tým Doc. Ivany Márové, CSc. vypracoval a patentoval technologický proces výroby PHB a nyní pracuje na optimalizaci a výstupu do praxe).

Vyvinout postup pro průmyslové zvláknění PHB na úroveň membrány s vlákny o průměru v intervalu 50-250 nm -(Tento postup je momentálně aktuálně ve fázi aktivního výzkumu).

Provést vhodnou chemickou modifikaci pro zisk materiálu na výrobu molekulových filtrů – (Částečně splněno, chemická modifikace probíhá v několika fázích a je ve fázi dalšího výzkumu).

Otestovat v maloprovozním měřítku vysokotlakou filtraci kontaminované vody.

Vyvinout zařízení pro paralelní střídavou filtraci schopnou napojení za běžný čistící proces v ČOV

Použití biodegradabilního zeleného polymeru, který lze vyrobit z obnovitelných odpadních zdrojů, jako materiálu pro přípravu nanovlákenného filtru na odstranění důležitých persistentních kontaminantů,které běžným metodám odolávají, je zatím neuskutečněný projekt z finančních důvodů. Současné snížení ceny polymeru na výše uvedenou hodnotu 2-8 dolarů za kilogram otevírá tuto aplikační cestu. Při pozitivním maloobjemovém výsledku se bude jednat o unikátní environmentálně přístupnou metodu, která pomůže, odstranit současné i budoucí ekologické hrozby. Nanovlákenné filtry z polyhydroxybutyrátu mohou nalézt uplatnění i při dekontaminaci vod průmyslových podniků. Nárůst užívání nanočástic v užitné chemii může přerůst v nevyzpytatelnou hrozbu, na kterou může být odpovědí zavedení zmíněného filtračního zařízení. Principy zelené syntézy, aplikované na úpravu skeletu PHB mohou dát zniknout modifikovaným filtrům, vhodným pro molekulární filtraci umožňující záchyt metabolitů a samotných sloučenin používaných v hormonální antikoncepci, které ohrožují biodiverzitu hydrosféry a celkový potravinový řetězec. Může jít o cestu ke zkvalitněníživota v důsledku vyřešení problému s nedostatkem pitné vody.

Nevýhody projektu mohou spočívat v nákladné separační fázi při přípravě polymeru PHB, avšak proces je jižv intenzivním výzkumu. Za rizika lze obecně považovat každý následný krok ve výše zmíněném sledu nutných kroků. Hlavní riziko celého projektu je především nedostatek financí, či možné problémy s navázáním konkrétní spolupráce u klíčových subjektů, konkrétně u vodáren, správy města případně u oslovených externích pracovišť.

Vojtěch Kundrát, Masarykova univerzita, obor chemie