This article is available in Czech only. For translation or more information on this topic, please contact author.
Pane profesore, zabýváte se využitím nanomateriálů při čištění odpadních vod. V čem vidíte perspektivy a hlavní výhody této technologie oproti ostatním metodám čištění odpadních vod?
Naším cílem je výzkum a vývoj sendvičových membrán s funkční vrstvou nanovláken primárně určených pro částicovou filtraci, ale např. také pro separaci olejové fáze apod. Jedná se tedy o technologii čištění, popř. dočištění odpadních vod, které byly v předchozím kroku či fázi již předčištěny, např. biologickou čističkou. V tomto směru může být technologie využití nanovlákenných membrán klasifikována jako proces mikrofiltrace (podle velikosti „pórů“ membrány) a je tak technologií doplňkovou k ostatním stupňům kaskády komplexního filtračního procesu. Jejím cílem pak jsou výstupní vody, které bude následně možné využít jako vody technické například pro zálivku v zemědělství nebo v potravinářských a průmyslových provozech, kde se dnes běžně užívá voda pitná i jako oplachová. Tedy tím výsledným cílem je zadržení vody v krajině, šetření zásob pitných vod, a takto přispívat ke zlepšení vodního hospodářství celkově. Výhodou mikrofiltrace je pak vysoká filtrační účinnost daná 3D nanovlákennou strukturou při nižší tlakové ztrátě a vyšších průtocích v porovnání s jinými filtračními materiály.
Jestli tomu dobře rozumím, tak současná generace membrán s nanovlákny není vhodná jako jediný stupeň čištění a hlavní využití spočívá v dočištění odpadních vod ve formě posledního stupně. Předpokládám, že hlavním problémem je citlivost membrán na mechanické poškození a ucpávání mikropórů v membráně, nebo se pletu? Kam vlastně směřuje současný materiálový výzkum v této oblasti?
To je správná otázka, na kterou však není jednoduchá odpověď. Někteří kolegové laboratorně prokazují, že membrána může být užita i jako jediný stupeň částicové filtrace pro kalové vody. Dokonce vytvořený filtrační koláč zvyšuje filtrační účinnost. Ale je to za cenu výrazného poklesu průtoku filtrované tekutiny. Ale i zde však existuje nějaký předstupeň čištění (např. koagulace, flokulace či sedimentace). Tedy pro publikační činnost jsou takové postupy vhodnými náměty. Ale já zastávám více směr reálného využití membránových modulů pro dočištění komunálních i technologických vod. A tedy řešit i problémy s výkonem (průtokem) filtrované tekutiny, revitalizací membránových modulů pro dlouhodobě udržitelný průtok a konečně i životnost membrán, která je obvykle plánována alespoň na čtyři roky. To však vyžaduje „šetrné“ způsoby revitalizace modulů, které neporuší jemnou strukturu nanovlákenné vrstvy. Tady je důležitá nejen konstrukce membrány s několika vrstvami, které zajišťují její filtrační, mechanické a chemické vlastnosti, ale především parametry, za kterých je možné provést revitalizaci. Tedy jsem zastáncem vícestupňové filtrace, jejímž jedním stupněm je i membránová mikrofiltrace. Jako možné uplatnění pak vidím dočištění výstupních vod z biologických čistíren pro jejich další použití jako vod užitkových jak pro zálivku v zemědělství, tak i pro splachování WC nebo umývání apod. Například využít nanovlákenných membrán jako druhý stupeň domácích ČOV je nejen ekologicky vhodné, ale i ekonomicky výhodné. Pokud domácí ČOV vyčistí např. 200–500 litrů vody v šestihodinových cyklech, postačí membránový modul o aktivní ploše membrán cca 4–8 m2, který dočistí zmíněný objem za 2–3 hodiny, a tedy zbyde i čas na revitalizaci a přípravu na další cyklus. Membránovou technologii založenou na mikrofiltraci pomocí nanovlákenných struktur je možné využít i pro velké městské čistírny a záměrem může být i dočištění jen části výstupních vod pro další využití. Tedy do říční sítě vypouštět jen část výstupních vod.
Na vaši druhou část otázky – mohu jen potvrdit, že nové membrány dosahují na počátku filtrace standardně výrazně vyšší průtok (sítová filtrace přecházející brzy v hloubkovou), který postupně klesá (tvorba tzv. filtračního koláče), a při vhodném způsobu revitalizace lze dlouhodobě udržet průtok na 50–20 % počátečního stavu. S tím je nutné počítat při projektování filtračního stupně. Míra poklesu průtoku pak také závisí na kvalitě čištění v předchozích stupních. Pro jasnost raději zdůrazním – abychom dosáhli kvalit pitné vody, je nutné zařazení dalšího (dočisťujícího) stupně za mikrofiltraci. Tím i zdůvodňuji, proč jsem zastáncem vícestupňových systémů pro čištění odpadních vod.
Kam směřuje současný výzkum v membránových technologiích je velmi široká otázka, na kterou si netroufám podat stručnou odpověď. Konečně to dokládá i existence Membránové platformy, která sdružuje řadu firem a výzkumných pracovišť, a tedy i výzkumných témat. Membránové technologie jsou zaměřeny jednak na částicovou filtraci (sítovou, mikro, ultra, nano), ale i na chemickou úpravu vod, např. pro odsolování. Naše zkušenosti jsou jednak v oblasti sítové filtrace pro předúpravu odpadní vody, a pak především pro mikrofiltrace se záchytem pevného podílu o velikosti od cca 300 nm. Tato technologie je pak účinná pro dočištění výstupních vod z ČOV, různých oplachových vod z potravinářského průmyslu nebo i vod dešťových. Vyhovuje nejen stupněm vyčištění, ale i požadovaným průtokem a konečně i výší pořizovacích i provozních nákladů. Uvážíme-li současné ceny vodného a stočného, které se pohybují okolo 100 Kč/m3, lze návratnost využití nanovlákenné membránové technologie odhadnout na 9–15 měsíců, což se mi jeví jako přijatelné pro potenciální zákazníky.
Technická univerzita v Liberci (TUL), na které působíte, je známá svým úspěšným výzkumem v oblasti nanotechnologií a nanomateriálů. To jsou ale poměrně obecné pojmy a mnozí naši čtenáři si možná neumí úplně přesně představit, co znamenají. Mohl byste tyto pojmy krátce představit a nastínit, jaké vidíte možnosti využití ve vodním hospodářství? Určitě se nejedná jen o využití při čištění odpadních vod.
Nanomateriály a nanotechnologie jsou dnes významným směrem výzkumu, a to nejen na naší Technické univerzitě, ale i na dalších univerzitách, a to nejen v ČR. Na TUL jsme zaměřeni především na výzkum přípravy nanovláken, jejich technologické úpravy a aplikace. Tyto aplikace jsou zaměřeny jednak do oblasti „high-tech“ textilu, povrchových úprav ve strojírenství, filtrací tekutin (tedy kapalin i plynů), do oblasti zdravotnictví jako nosiče léčiv – např. pro kryty ran, ale např. též jako zvukově-pohltivé membrány pro snížení hluku. Za nanomateriály se považují takové struktury, které mají alespoň v jednom rozměru velikost menší než 100 nm. V tomto směru jsou nanovlákna poněkud na hraně této definice, protože jejich průměry jsou obvykle v rozmezí 80–300 nm. Takže se technicky vzato jedná spíše o submikronové struktury. Nicméně není asi ani snahou dále snižovat jejich průměr, protože to ve většině aplikací neposkytuje kýžený benefit, přitom se zhoršují jejich mechanické vlastnosti, a tedy jejich další technologické zpracování je obtížnější (ovšem existují oblasti jako nanofotonika, kde je kritérium na co nejmenší rozměry; dostat se na hranu difrakčního limitu). V uplynulé době jsme různými technikami připravili celou škálu takových membrán, které se liší jednak použitými materiály, jejich povrchovou úpravou, technologií laminace a použitým podkladovým a krycím materiálem. Následně jsme změřili jejich fyzikálně-chemické vlastnosti a připravili i návrh provozních podmínek. Tyto membrány s nanovlákennou funkční vrstvou pak mohou zachytávat částice jak na svém povrchu, tak i ve své struktuře.
Nanovlákenná vrstva samotná má velkou porozitu blížící se 100 %, velikosti pórů jsou od několika set nanometrů a velký specifický povrch až desítky m2 na 1 g nanovláken. Takové charakteristiky pak určují malý hydraulický odpor, a tedy membrána má dostatečný filtrační výkon i při nižších tlakových spádech několika kPa. Vysoký specifický povrch nanovlákenné struktury pak umožňuje vázat na tento povrch léčiva případně v enkapsulované formě a využívat takto upravené materiály jako aktivní kryty ran. Pro tyto účely se pak využívají biokompatibilní polymerní materiály (někdy i přírodního původu), které nezpůsobují alergické reakce. Navíc se požaduje biodegradabilita v řádu dnů až týdnů a vstřebání do tkáňových soustav. Takové materiály se požívají i ve tkáňovém inženýrství jako tzv. scaffoldy.
Ale zpět na filtrační materiály a k vaší otázce ohledně jejich možností při využití ve vodním hospodářství. Těch aplikací je celá řada a membrány mohou posloužit nejen pro dočištění odpadních vod a jejich další uplatnění. Mohou také recyklovat vody v nápojovém a obecně potravinářském průmyslu. Jako příklad můžeme uvést spotřebu vody v pivovárenství, kde na 1 litr piva se spotřebuje 4–8 litrů pitné vody. Přitom například oplachové vody by bylo možné používat po dočištění opakovaně. Další aplikací je využití membrán pro oddělení suspenzí např. typu voda-olej. I tady by se užívala membránová technologie po předchozím uplatnění gravitační metody separace. Tedy využití membrán ve vodním hospodářství je celá řada.
Membránové technologie, jak se zdá, mohou být jedním z efektivních prvků cirkulární ekonomiky a snižování náročnosti průmyslové výroby na vodní zdroje. Daří se tyto technologie zavádět do praxe v podobě finálních řešení, nebo jsme dosud ve fázi prototypů a poloprovozních testů? Můžete uvést již nějaké konkrétní aplikace v oblasti vodního hospodářství, kde byly výsledky výzkumu TUL aplikovány?
Membránové technologie jako takové jsou dnes uplatňovány v řadě aplikací a čištění vod, resp. jejich úprava pro recyklaci je jednou z možností jejich uplatnění, i když velmi důležitou pro hospodaření se zdroji pitných vod. Jak jsem již uvedl, naší snahou je uvést vyvíjené nanovlákenné membrány do praxe. Je vhodné však poznamenat, že mikrofiltrační membrány již na trhu jsou. Naše současné záměry lze charakterizovat poloprovozními ověřovacími testy. Pro jejich použití je nutné upravit provozní podmínky tak, aby membrány dosahovaly očekávaný průtok, dostatečnou účinnost a také dlouhodobou životnost. To jsou obvyklé požadavky zákazníků, které však jdou proti sobě, a proto je výsledek vždy nějakým kompromisem. Dlouhodobé testy (2,5 roku) máme především ve filtraci dešťové vody, kterou můžeme použít následně jako vodu pro technické účely (splachování, mytí,…). V současnosti je naším cílem uplatnění mikrofiltrace pro dočištění výstupních vod z ČOV a nasazení této technologie jako doplňkové pro instalaci malých ČOV (1–15 m3/den). Připravujeme i zařízení, které by mohlo dočistit i vody z „velkých“ firemních nebo městských ČOV. Zde by filtrace umožnila dočistit 20–100 m3/den. Pro dobrý výkon filtračních modulů je však nutné mít vstupní vodu ve stabilizované kvalitě, na kterou jsou nastaveny i provozní podmínky. Dlouhodobě jsme testovali možnosti filtrace i ve firmě Saint Goben v Litomyšli. I zde se ukázala možnost využití membránového čištění pomocí nanovláken a přitom byla vstupní voda významně kalná a s lubrikanty, které membrány zalepovaly. Z tohoto příkladu je vidět, že uplatnění membránového čištění pomocí nanovláken mohou být velmi rozsáhlá. Nicméně je vždy vhodné vstupní vodu upravit např. sítovou filtrací nebo usazením kalů. Taková úprava vždy zlepší výkon membránového modulu. V současnosti testujeme filtrační poloprovozní modul i v pivovaře Konrád. I zde získáváme první zkušenosti z recyklace oplachových vod kontaminovaných kvasinkami. První výsledky jsou zatím úspěšné, ale neradi bychom to zakřikli. Na rozdíl od jiných aplikací, kde se kal usazuje ve spodní části nádrže, jsou zde kvasinky vyplavovány na hladinu, a musíme tedy jejich odběr a čištění systémů nastavit jinak. Asi bychom měli více zkušeností s vodou, kdyby nám současná epidemiologická situace nepřerušila experimentální plány.
Když zmiňuji TUL, nedá mi to, abych se neoptal, v čem spatřujete silné stránky Vaší univerzity? Proč by studenti, kteří se chtějí věnovat otázkám spojeným s vodním hospodářstvím, měli jít studovat právě na TUL?
Technická univerzita v Liberci je menší univerzitou v ČR a obsluhuje cca 3 % vysokoškoláků. Profil univerzity tvoří sedm fakult a Ústav pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace. Silnou stránkou univerzity vidím v možnostech interdisciplinární spolupráce mezi fakultami a zmíněným ústavem, který byl zřízen především ve spolupráci Fakulty strojní, Fakulty textilní a Fakulty mechatroniky, informatiky a mezioborových studií. Bez podpory těchto fakult by bylo obtížné na naší univerzitě takový ústav zřídit. Výhody vidím především v tom, že jsme schopni se na interdisciplinárních tématech domluvit s fakultami. Právě toto může být na velkých univerzitách obtížnější, ale mohu se mýlit. Odpověď na vaši druhou otázku bych formuloval asi takto: Kdybych chtěl studovat standardní formy vodního hospodářství a biologického čištění odpadních vod, asi bych volil některý obor na VŠCHT, kde je tato tématika dlouhodobě rozvíjena. U nás se zabýváme alternativními metodami úpravy již předčištěné výstupní vody z ČOV nebo jiné „mírně“ kontaminované vody s cílem filtrace bakterií, resp. organických a anorganických částic. Takto upravenou vodu připravujeme k dalšímu technickému využití nebo k zásaku in situ a je snaha touto formou vylepšovat srážkové-odtokové bilance v oblasti. Šetření vodou a snižování odtoku z regionu je jistě tématem současnosti i budoucnosti. Takže zájemcům o takovouto tématiku bych doporučil studium oboru „Aplikované vědy v inženýrství“, ve kterém je možné zvolit si studijní obor zaměřený na nanomateriály. Tento studijní obor je akreditován na Fakultě mechatroniky, informatiky a mezioborových studií a je určen především pro nadané studenty, kteří uvažují o kariéře v oblasti vědy a výzkumu.
