Čeští vědci vyvinuli membránu, která čistí vodu od bakterií i těžkých kovů

Olomoucká a ostravská laboratoř představila inovativní filtrační membránu, která účinně odstraňuje z vody bakterie i těžké kovy, aniž by vyžadovala chemikálie nebo elektrickou energii. Tento technologický průlom může výrazně ovlivnit přístup k čisté vodě jak v rozvojových zemích, tak v průmyslových aplikacích.

V laboratořích Českého institutu výzkumu a pokročilých technologií (CATRIN) na Univerzitě Palackého v Olomouci vznikl projekt zaměřený na simultánní odstranění biologických i chemických kontaminantů z vody. Hlavním cílem bylo vyvinout membránu, která překoná limitace tradičních filtrů, jež často vyžadují více technologických kroků, vysoký tlak nebo chemické zásahy. V úzké spolupráci s Centrem energetických a environmentálních technologií na VŠB-TU Ostrava bylo možné aplikovat nanotechnologické poznatky do reálně funkčního zařízení. Laboratorní testy zahrnovaly různé typy vody – destilovanou, kohoutkovou a říční – a prokázaly účinnost při odstraňování více než 99,999 % bakterií a současně vysokou schopnost adsorpce těžkých kovů. Tento experimentální základ položil fundament pro všechny následující optimalizace membrány a metodiku testování.

Klíčovou inovací je dvouvrstvá struktura membrány, kde první vrstva obsahuje grafen modifikovaný karboxylovými skupinami, schopný selektivně vázat ionty těžkých kovů. Laboratorní měření ukázala, že kapacita pro olovo dosahuje 661 mg/g a pro kadmium 248 mg/g, což je hodnota několikanásobně vyšší než u běžných polymerních filtrů. Druhá vrstva je obohacena o ionty manganu, které vykazují antibakteriální účinnost s mortalitou bakterií přes 99,999 % během 10 minut průtoku. Povrchová plocha grafenu dosahuje až 2 630 m²/g, což zajišťuje vysokou adsorpční kapacitu i při nízkých tlacích průtoku a současně umožňuje eliminaci bakterií bez chemických přísad.

Experimentální testy byly prováděny při průtoku 50 ml/min přes vzorek 10 cm², teplotě 25 °C a neutrálním pH 7. ICP-MS analýzy ukázaly, že při koncentracích Pb²⁺ 50 mg/l a Cd²⁺ 20 mg/l bylo odstraněno více než 99,9 % kovů, zatímco mikrobiologické testy prokázaly snížení počtu bakterií z 10⁶ CFU/ml na méně než 1 CFU/ml. Testy zahrnovaly široké spektrum mikroorganismů, včetně gramnegativních a grampositivních bakterií, což potvrzuje univerzální účinnost technologie. Tyto experimenty jsou zásadní pro potvrzení reálné použitelnosti membrány v různorodých podmínkách, jak v domácím, tak průmyslovém prostředí.

Energetická nenáročnost membrány byla ověřena testy s ručním vakuovým pohonem, které ukázaly, že filtrační účinnost zůstává nad 99,999 % i bez elektrického zdroje. Tato vlastnost je klíčová pro použití v odlehlých oblastech a krizových situacích, kde infrastruktura pro tradiční filtrační technologie chybí. Díky tomu je membrána schopná fungovat v rozvojových zemích, kde je přístup k pitné vodě omezen, a současně umožňuje flexibilní využití i v průmyslových aplikacích bez dodatečných energetických nákladů.

Regenerovatelnost membrány byla testována šesti cykly, při nichž byly zachyceny kovové ionty odstraněny 0,1 M HCl a bakteriální zátěž sterilizačním oplachem. Po těchto šesti cyklech si membrána udržela více než 90 % původní účinnosti, což potvrzuje její robustnost a dlouhodobou životnost. Tento aspekt je klíčový pro praktické nasazení, protože výrazně snižuje provozní náklady a umožňuje dlouhodobé bezpečné čištění vody bez nutnosti časté výměny filtračních prvků.

Druhá vrstva membrány, obohacená o ionty manganu, byla podrobena detailním testům proti gramnegativním a grampositivním bakteriím. Laboratorní výsledky ukázaly, že mortalita Escherichia coli, Salmonella enterica a Pseudomonas aeruginosa přesahuje 99,999 % během 10 minut průtoku, což potvrzuje vysokou antibakteriální účinnost. Gramnegativní bakterie mají tenkou peptidoglykanovou stěnu s vnější membránou obsahující lipopolysacharidy, což je činí odolnějšími vůči chemikáliím, zatímco grampositivní bakterie mají silnou peptidoglykanovou stěnu, která jim poskytuje mechanickou stabilitu, ale činí je citlivějšími na ionty manganu. Příklady grampositivních bakterií jsou Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis, Listeria monocytogenes. Testy prokázaly, že membrána účinně působí na oba typy bakterií, čímž zajišťuje univerzální využitelnost pro různé druhy kontaminované vody.

Kapacita membrány pro adsorpci těžkých kovů byla detailně analyzována. Při koncentracích Pb²⁺ 50 mg/l a Cd²⁺ 20 mg/l dokázala adsorbovat až 661 mg/g olova a 248 mg/g kadmia. Doba potřebná k odstranění 90 % kovů byla pouhých 15 minut. Tyto hodnoty jsou významně vyšší než u běžně používaných polymerních filtrů, což umožňuje nasazení membrány i v průmyslových odpadních vodách, kde koncentrace kovů často překračují limity pro pitnou vodu. Experimenty byly prováděny při pH 6–8 a teplotě 25 °C, což simuluje běžné podmínky vodovodní sítě.

Porovnání membrány s tradičními technologiemi, jako jsou ultrafiltrace a nanofiltrace, ukázalo, že účinnost zachytávání bakterií a kovových iontů je srovnatelná nebo vyšší, a to při výrazně nižších tlakových nárocích a bez chemických přísad. Tento aspekt umožňuje jednodušší instalaci a provoz, zejména v oblastech s omezenou infrastrukturou. Dále to znamená menší energetické nároky, což zvyšuje ekologickou a ekonomickou efektivitu technologie.

Single-atom-enhancement, tedy atomární modifikace membrány, zvyšuje selektivitu vazebných míst a umožňuje zachytit kontaminanty bez nutnosti extrémního zmenšení pórů. Tento princip snižuje tlakové nároky, prodlužuje životnost membrány a přispívá k vysoké účinnosti simultánní filtrace bakterií i těžkých kovů. Experimenty ukázaly, že při průtoku 50 ml/min se účinnost zachycení kovů a eliminace bakterií nemění ani při vyšší koncentraci znečištění.

Membrána byla testována při nízkém tlaku průtoku 50 ml/min, což odpovídá domácím i menším průmyslovým aplikacím. Optimalizovaná porézní struktura a chemická modifikace zajišťují zachování účinnosti i při znečištěné vodě s pH 6–8 a koncentracemi kovů do 50 mg/l. Tyto parametry potvrzují adaptabilitu membrány na různé zdroje vody a zajišťují konzistentní výkonnost v reálných podmínkách.

Schopnost membrány odstraňovat bakterie i při současné vysoké koncentraci kovů byla potvrzena laboratorními testy. Mortalita bakterií zůstala nad 99,999 % i při Pb²⁺ 50 mg/l a Cd²⁺ 20 mg/l. To dokazuje, že membrána dokáže účinně fungovat v komplexně znečištěné vodě, což je klíčové pro průmyslové i humanitární aplikace, kde voda obsahuje směs chemických i biologických kontaminantů.

Robustnost membrány byla dále potvrzena cykly regenerace. Po šesti opakovaných cyklech, kdy kovové ionty byly odstraněny pomocí 0,1 M HCl a mikroorganismy sterilizačním oplachem, účinnost neklesla pod 90 %. Tento výsledek ukazuje, že membrána je stabilní, odolná vůči chemickému a mechanickému opotřebení, a vhodná pro dlouhodobý provoz v průmyslových i domácích podmínkách.

Experimentální optimalizace zahrnovala testování různých kombinací vrstev a chemických modifikací, aby byla dosažena maximální účinnost pro oba typy kontaminantů. Nejlepší výsledky přinesla kombinace karboxylových skupin a manganových iontů, která zajistila vysokou adsorpční kapacitu kovů a zároveň antibakteriální efekt. Tyto experimenty umožnily vybrat konstrukci vhodnou pro praktické nasazení.

Testy v reálných podmínkách, včetně vodovodní sítě a říčních vod, potvrdily schopnost membrány zachytit bakterie a kovy i při variabilním složení vody. Účinnost filtrace zůstala vysoká při pH 6–8, teplotách 10–25 °C a průtocích 30–50 ml/min. Tato reprodukovatelnost výsledků potvrzuje spolehlivost membrány pro různé situace a zdroje vody.

Nízká ekologická zátěž membrány je významným přínosem. Nepotřebuje chemické látky ani vysoké teploty, a její provoz nevytváří sekundární znečištění. To je zásadní pro udržitelné využití technologie, zejména v průmyslových aplikacích, kde minimalizace environmentálních dopadů je klíčová.

Membrána je snadno integrovatelná do stávajících systémů úpravy vody, aniž by vyžadovala zásadní změny infrastruktury. Lze ji kombinovat se sedimentačními technologiemi nebo UV dezinfekcí, což zvyšuje flexibilitu systému a efektivitu celkového čištění vody.

V průmyslovém čištění odpadních vod membrána snižuje obsah Pb²⁺ a Cd²⁺ o více než 99 %, například při koncentracích Pb²⁺ 50–70 mg/l a Cd²⁺ 20–30 mg/l, přičemž mortalita bakterií přesahuje 99,999 %. Tento parametr potvrzuje vhodnost membrány pro průmyslové aplikace a kombinaci chemických i biologických filtrací v jediném kroku.

Kombinace chemické modifikace, dvouvrstvé struktury a atomární optimalizace umožňuje membráně odstranit široké spektrum kontaminantů, aniž by byla snížena účinnost při zvýšení koncentrace kovů či počtu bakterií. Laboratorní výsledky prokázaly stabilní výkon při průtoku 50 ml/min a vysoké kapacitě adsorpce kovů.

Olomoucká membrána tak představuje globálně použitelný přístup k čištění vody. S vysokou účinností, nízkou energetickou náročností, jednoduchým provozem a možností regenerace se řadí mezi nejperspektivnější inovace současného vodohospodářství. Implementace této technologie může výrazně zlepšit přístup k pitné vodě a minimalizovat ekologické dopady průmyslových odpadních vod.