Hlavní strana Autorské články a zajímavosti ze světa biotechnologií Slibná řešení pro úpravu vody s využitím ...

Slibná řešení pro úpravu vody s využitím nanotechnologií

Datum: 24.5.2012

Celosvětový vývoj lidské populace není za stávajících podmínek trvale udržitelný. Zdroje potravy, energie ani pitné vody nejsou neomezené a lidská populace neustále roste. Pitná voda je zejména v rozvojových zemích kriticky ohroženým artiklem. V současnosti je její nedostatek vůbec nejčastější příčinou úmrtí na světě. Zajištění dostatečného množství pitné vody se tak stává jednou z největších a nejaktuálnějších výzev, kterým lidstvo v současnosti čelí. Situaci hrozícího nedostatku kvalitní pitné vody je možné změnit revolučním řešením v technologii čistění vody.

Jedna z aktuálně nadějných cest spočívá ve spojení nanotechnologií a membránové filtrace vody. Membrány s obsahem nanočástic disponují 1-3x větší propustností pro vodu než konvenční membrány založené na reverzní osmóze a mohou být vybaveny antimikrobiálními nebo fotoreaktivními vlastnostmi.

Největší výhoda použití membrán v čištění vody spočívá v ušetření spotřeby chemikálií, nízkých nákladech na energii, které jsou dané nízkým provozním tlakem (4-14 barů) a jednoduchým napojením na jiné technologie. Naopak mezi nevýhody patří krátký poločas života membrány daný jejím ucpáváním, často omezená chemická selektivita a koncentrační změny v blízkosti membrány. Membrány pro nanofiltraci mají nepropustnost pro chlorid sodný mezi 20-80% a průchodnost pro rozpuštěné organické látky o molekulové váze mezi 200-1000 Da.

Základním stavebním materiálem membrán je keramika a polymery. Keramika disponuje vysokou tepelnou a chemickou odolností, proto může sloužit jako platforma pro další procesy i v silně oxidujícím prostředí nebo při nízkém pH. Polymery jeví vyšší flexibilitu a současně nižší cenu. Díky polymerům může docházet k funkcionalizaci povrchu tradičních materiálů pouze přidáním funkční vrstvy polymeru. Další možností je vývoj složených membrán inkorporací nanočástic nesoucích oxidy kovů, uhlíku do polymerní matrice.

Membány s obsahem nanočástic jsou použitelné pro čištění odpadních vod, k přípravě pitné vody, ultrapurifikaci, desalinizaci a přípravě vody pro opakované použití. Komerčně dostupné membránové procesy pro čištění vody se dělí na elektrodialýzu (ED), elektro-deionizaci (EDI), reverzní osmózu (RO), nanofiltraci a ultrafiltraci. Pomocí nanofiltrace lze z vody odstranit rozpuštěné částice s rozměry menšími než 1nm. Nanofiltrace, EDI a ED nacházejí využití v demineralizaci, změkčování a separaci organických látek. Zatímco RO a MF jsou technologie pro odsolování a opakované použití vody. Další membránové procesy jako je přímá osmóza nebo membránová destilace se na trhu začínají objevovat, ale zatím mají jen omezené uplatnění v praxi.

Nanotechnologie lze využít i k tzv. oligodynamické dezinfekci vody. Pod tímto pojmem se skrývá schopnost kovových nanočástic inaktivovat mikroby již při velmi nízké koncentraci. Svými výbornými baktericidními i virucidními vlastnostmi disponují díky přítomnosti kovů jako je stříbro, měď, zinek, titan, nikl a kobalt. Mohou být nabité a lze je kombinovat s různými substráty za účelem zvýšení efektivity kontaktu s patogeny. V současnosti jsou pro svou nízkou toxicitu a jednoduchou zabudovatelnost do různých materiálů nejvíce využívány ionty stříbra. Stříbrné nanočástice jsou většinou tvořeny nitritem stříbrný, chloridem stříbrným, bromidem stříbrným nebo iodidem stříbrným. Nosičem bývá aktivované uhlí, aktivovaná uhlíková vlákna, polyuretany, zeolit nebo keramika. Aktivovaná uhlíková vlákna s 0,065% obsahu stříbra vykazují silný antibakteriální efekt vůči odolným patogenům jako je Escherichia coli nebo Staphylococcus aureus. Částice se používají k dezinfekci bazénů, nemocničních nádrží s horkou vodou, často v podobě keramických vodních filtrů. O jejich neškodnosti pro životní prostředí se však debatuje. Vysoká expozice stříbru, zejména ve formě AgI nebo Ag⁺totiž může u člověka způsobit argyrii, nevratné tmavnutí kůže a sliznic.

Další typ nanočástic disponuje fotokatalytickými vlastnostmi. Jedná se o nanočástice, vlákna nebo pěnu s nanopóry, obsahující oxid titaničitý, který se v přítomnosti UV, rozkládá a uvolňuje radikály. Velmi rychle degraduje jakékoliv organické znečištění včetně bakterií, spór a virů. Na podobné bázi byly vyvinuty i částice TiON/PdO (palladium-modified nitrogen-doped titanium oxide nanoparticles), které disponují fotokatalytickými vlastnostmi za běžného světla. Lze je připravit jako prášek nebo film a skýtají tak značný potenciál pro průmyslové čištění odpadních vod. Po třicetiminutové expozici E. coli TION/PdO částicím za přítomnosti světla se počet životaschopných bakterií snížil z 10⁹na 10^-8 CFÚ.

Kromě nanomembrán využívajících různé anorganické látky dochází k vývoji i tzv. biomimetických membrán, které napodobují vysoce selektivní procesy transportu vody nebo rozpuštěných látek probíhající na biologických membránách. Aktivní transportní protein izolovaný z buněčné kultury se inkorporuje do lipidové dvojvrstvy nebo jejího analogu. Takto byl za účelem odstraňování zbytkového množství perzistentního organického znečištění na principu bioakumulace vyvinut Lipid triolein Liu a kol. (2006). Inkorporace aquaporinu Z, kterým disponují bakterie, zase vede ke vzniku membrány s až o řád vyšší efektivitou transportu vody oproti některým komerčně dostupným membránám. Jeví také vysokou neprostupnost pro soli a mohla by se uplatnit zejména v přípravě ultračisté vody Lee a kol. (2011).

Doslova ikonou nanotechnologického výzkumu se v poslední době staly uhlíkové nanotuby. Jsou to válce o délce několika desítek mikronů a průměru 0,7 nm tvořené jedinou vrstvou grafitu, která bývá na koncích opatřena fulerenovou čepičkou. Díky Van Der Waalsovým interakcím spolu agregují do velkých „lanovitých" struktur nebo různě definovaných struktur podle matrice. Disponují naprosto unikátními mechanickými a chemickými vlastnostmi. Existuje celá řada metod jak je lze připravit a celá řada uspořádání. Bohužel vytyčený cíl výzkumu, který představuje matrice nanotub se stejnou chiralitou, zatím zůstává nedosažen. Tyto částice daly vzniknout fenoménu ultraefektivního transportu vody přes ultratenké molekulové potrubí. Jedná se o řádově efektivnější transport než je transport pomocí transportinů.

Navzdory překotnému vývoji nanotechnologií a jejich široké komerční dostupnosti, toho není zatím mnoho známo o jejich dopadu na lidské zdraví a životní prostředí. Díky jejich malé velikosti velice snadno dispergují do prostředí a existují například obavy z expozice při manipulaci a vysoké perzistence v životním prostředí. Chybí dostatečný počet studií zabývajících se jejich osudem v ekosystémech. Nikdo neví, jak mohou být v přírodě reaktivní, co bude vznikat během jejich degradace atd. Nanotechnologie přesto slibují dramatické zlepšení účinnosti řady zavedených technologií pro úpravu vody. Membrána, která se chce prosadit na trhu, musí mít určité charakteristiky jako je vysoký průtok, zvýšená schopnost filtrovat soli, dobrá mechanická odolnost, odolnost proti ucpávání a v neposlední řadě musí být finančně dostupná. Řešení navrhovaná nanotechnologiemi se zdají být efektivní už z toho důvodu, že se jedná o měřítko, ve kterém se pohybují ve vodě přítomné nečistoty živého i neživého původu. Klíčovým problémem ovšem zůstává jak je aplikovat? Přesněji řečeno jak oddělit nanočástice od kontaminujících částic ve vodě? Většinu drahých nanočástic nelze do vody přidat jako běžné chemikálie a navíc mohou představovat pro lidské zdraví a životní prostředí nová neznámá rizika. Imobilizace nanočástic do membrán se jeví jako velmi slibný směr, kterým lze výše nastíněné problémy řešit.

Autor: Klára Kazdová

Líbil se Vám tento článek? Doporučte jej svým známým.