Nebezpečné bakterie i toxické těžké kovy dokáže z vody odstranit filtrační membrána, kterou vyvinuli vědci z Českého institutu výzkumu a pokročilých technologií (CATRIN) Univerzity Palackého a Centra energetických a environmentálních technologií (CEET) VŠB – Technické univerzity Ostrava. Kombinované znečištění, které představuje vážné environmentální i zdravotní riziko, navíc likviduje v jediném kroku, bez nutnosti zdroje energie i chemikálií, jež se běžně pro dezinfekci vody používají. Membrány lze snadno obnovit, což z této technologie dělá průlomové řešení pro dostupnou a bezpečnou pitnou vodu kdekoliv na světě.
Vědci se zaměřili na využití běžně dostupných a levných filtračních membrán, na něž nanesli nobelovský uhlíkový materiál grafen s chemickými pastmi pro těžké kovy a bakterie. Při vývoji technologie se inspirovali postupem, který nedávno uplatnili při vývoji atomárních antibiotik. Vědeckému světu novou technologii představili v prestižním časopisu Chem.
„Technologie dosahuje účinnosti filtrace přes 99,999 procenta proti širokému spektru mikroorganismů v destilované, kohoutkové i říční vodě. Celý proces je velmi jednoduchý, což umožňuje jeho využití i v oblastech bez přístupu k elektrické energii.“ David Panáček
„Použili jsme grafen modifikovaný karboxylovými skupinami, které účinně zachycují těžké kovy, jako je olovo a kadmium. V další vrstvě membrány jsme použili podobný grafenový materiál s ionty manganu. Tyto ionty mají silnou chemickou vazbu na bakterie, což jsme již prokázali v rámci výzkumu atomárních antibiotik,“ uvedl autor konceptu Radek Zbořil, který působí v obou výzkumných centrech CATRIN a CEET.
Filtrační membrány vyvinuté českými vědci dokážou fungovat i v poloprovozním měřítku, což umožňuje jejich nasazení v praxi. „Technologie dosahuje účinnosti filtrace přes 99,999 procenta proti širokému spektru mikroorganismů v destilované, kohoutkové i říční vodě. Membrány navíc vykazují vysokou kapacitu pro zachycování těžkých kovů, a splňují tak přísné legislativní limity. Celý proces je velmi jednoduchý, což umožňuje jeho využití i v oblastech bez přístupu k elektrické energii. Technologie je levná na údržbu, protože membrány lze snadno a efektivně regenerovat pro opakované použití,“ vysvětlil David Panáček, první autor studie, který nyní působí na Imperial College of London.
Díky jednoduché konstrukci a cenově dostupným materiálům se nová technologie jeví jako levná alternativa k tradičním metodám úpravy vody, které jsou složité a energeticky náročné. Tento přístup navíc představuje zcela nový koncept ve filtrační dezinfekci vody. Současné technologie, jako je ultrafiltrace nebo nanofiltrace, spoléhají na malé póry v membránách pro zachycení bakterií, ale jsou cenově velmi nákladné.
„V naší technologii neřešíme velikost pórů, ale spoléháme na chemické vlastnosti iontů manganu, které se silně váží na bakterie. Tato technologie nám umožňuje efektivně odstraňovat i problematické kmeny, jako je například Pseudomonas aeruginosa známá svou schopností vytvářet biofilmy v potrubích a filtrech. To má obrovský potenciál pro zlepšení dezinfekce vody v nemocnicích nebo potravinářských závodech,“ dodal Milan Kolář z Lékařské fakulty Univerzity Palackého, který se na výzkumu podílel.
Těžké kovy se dostávají do povrchových vod z průmyslové výroby nebo těžby, zatímco bakterie často pocházejí z nedostatečně čištěných odpadních vod, zemědělské činnosti a dešťových splachů. Tradiční postupy pro odstranění těchto kontaminantů jsou technologicky náročné a finančně nákladné. K odstranění bakterií se používají chemické procesy jako ozonizace nebo chlorace, zatímco těžké kovy jsou odstraňovány vícestupňovými metodami, jako jsou srážení, flokulace, koagulace a další.
„Spojení těchto náročných postupů je technologicky i ekonomicky velmi obtížné. V rozvojových zemích, kde chybí finance i odpovídající infrastruktura, je kombinované znečištění těžkými kovy a bakteriemi jedním z největších problémů z hlediska dostupnosti čisté vody. Cílem výzkumu bylo zjednodušit složitý proces úpravy vody a vyvinout levnou technologii, která dokáže odstranit oba typy znečištění v jediném kroku, což se podařilo,“ doplnil Zbořil.
Technologie by mohla najít uplatnění v například při čištění odpadních vod v průmyslových oblastech, zajištění pitné vody v rozvojových zemích nebo poskytování rychlých a efektivních řešení v krizových situacích, jako jsou válečné konflikty nebo přírodní katastrofy, kdy je omezený přístup k elektrické energii.