Revoluce v čištění odpadních vod skrývá nečekanou hrozbu. Vědci odhalili toxický vedlejší efekt moderní technologie

Elektrochemická oxidace patří k nejperspektivnějším technologiím pro odstraňování barviv z průmyslových odpadních vod. Nová studie publikovaná v odborném časopise Journal of Hazardous Materials však ukazuje, že vyšší účinnost čištění může být vykoupena vznikem potenciálně nebezpečných vedlejších produktů. Výzkumníci pod vedením Faye Kuszewski poprvé podrobně popsali mechanismy jejich vzniku a současně navrhli postupy, které mohou tato rizika významně omezit.

Textilní průmysl dlouhodobě patří mezi významné zdroje průmyslového znečištění vod. Odpadní vody vznikající při barvení a úpravě textilií obsahují vysoké koncentrace organických barviv, solí, nerozpuštěných částic i dalších chemických látek, které mohou nepříznivě ovlivňovat vodní organismy a kvalitu vodního prostředí. Podle odhadů připadá na textilní výrobu až pětina celosvětové produkce odpadních vod, což z jejich efektivního čištění činí jednu z významných environmentálních výzev současnosti.

Mezi technologie, které si v posledních letech získávají stále větší pozornost, patří elektrochemická oxidace. Její princip spočívá ve využití elektrického proudu k tvorbě vysoce reaktivních oxidačních částic přímo ve vodném prostředí. Tyto částice následně rozkládají složité organické molekuly na jednodušší látky a umožňují účinně odstraňovat i kontaminanty, které bývají vůči konvenčním metodám čištění mimořádně odolné. Elektrochemická oxidace přitom již dávno nepředstavuje pouze laboratorní technologii. Stále častěji se objevuje také v průmyslových provozech, kde slouží jako samostatný způsob úpravy odpadních vod nebo jako součást komplexnějších čisticích systémů.

Právě na méně prozkoumanou stránku této technologie se zaměřil tým autorů studie nazvané Oxidation byproduct formation by electro oxidation of textile dye wastewater: Occurrence, characterization and mitigation. Vedle Faye Kuszewski se na výzkumu podíleli také Patrick Wittbold, Annabella Colavito a Sean T. McBeath. Zatímco většina dosavadních prací hodnotila především účinnost odstraňování znečištění, cílem této studie bylo zjistit, jaké další chemické látky během procesu vznikají a zda nepředstavují dosud přehlížené riziko.

Výzkumníci se zaměřili na dva modelové typy textilních barviv. Prvním bylo Orange II, které patří mezi rozšířená azobarviva. Druhým byl eosin yellowish, bromované barvivo používané v některých průmyslových aplikacích. Obě látky byly podrobeny elektrochemické oxidaci za použití různých typů elektrod, aby bylo možné porovnat nejen rychlost jejich rozkladu, ale také tvorbu vedlejších produktů.

Klíčovou roli sehrála obyčejná kuchyňská sůl, tedy chlorid sodný. V textilních odpadních vodách se běžně vyskytuje, protože se používá při barvení textilií. Současně bývá přidávána i během samotného elektrochemického čištění. Zvyšuje elektrickou vodivost vody, snižuje energetickou náročnost procesu a podporuje vznik vysoce reaktivních chlorových sloučenin, které urychlují rozklad znečištění. Právě zde se ale podle autorů skrývá problém.

Experimenty ukázaly, že přítomnost chloridů skutečně vede k rychlejší degradaci barviv a nižší energetické náročnosti. Současně však významně podporuje vznik halogenovaných organických sloučenin. V případě barviva Orange II vznikal především chloroform. U bromovaného eosinu byly identifikovány zejména dibromchlormethan a bromoform. Tyto látky patří do skupiny trihalomethanů, jejichž výskyt je dlouhodobě sledován zejména v oblasti úpravy pitné vody kvůli jejich potenciálním dopadům na lidské zdraví.

Pozornost si zasloužily nejen samotné typy vznikajících sloučenin, ale také jejich koncentrace. Po devadesáti minutách elektrochemického procesu přesáhlo celkové množství sledovaných vedlejších produktů u Orange II hodnotu 250 mikrogramů na litr. U bromovaného eosinu pak koncentrace překročily hranici jednoho tisíce mikrogramů na litr. Výsledky tak naznačují, že vedle účinného odstraňování původního znečištění může docházet ke vzniku zcela nových chemických látek, jejichž environmentální význam nelze přehlížet.

Zvláště zajímavé byly výsledky získané při použití různých elektrodových materiálů. Nejvyšší účinnosti při rozkladu barviv dosahovaly elektrody z bórem dopovaného diamantu (záměrné přidání malého množství cizích atomů do materiálu). Právě u nich však vědci zaznamenali také nejvyšší tvorbu sledovaných vedlejších produktů. Naproti tomu elektrody na bázi iridia a směsi iridia s rutheniem vykazovaly odlišné charakteristiky tvorby reaktivních chlorových forem i výsledných produktů oxidace. Studie tak ukazuje, že mezi maximální účinností degradace znečišťujících látek a minimalizací vzniku vedlejších produktů existuje významný kompromis, který bude třeba při návrhu budoucích technologií zohlednit.

Autoři se současně pokusili najít způsoby, jak vznik nežádoucích látek omezit. Jednou z testovaných možností bylo nahrazení chloridu sodného síranem sodným. Tento přístup vedl prakticky k úplnému odstranění sledovaných vedlejších produktů. Současně však výrazně zpomalil rozklad barviv, a tím snížil celkovou účinnost procesu. Perspektivnější výsledky přineslo využití katalytického systému TAML. Ten umožnil zachovat srovnatelnou účinnost degradace barviv i při nižších koncentracích chloridů a zároveň snížil množství vznikajících vedlejších produktů o více než třetinu.

Význam studie přitom dalece přesahuje oblast textilního průmyslu. Výsledky upozorňují na obecnější problém pokročilých oxidačních technologií, které jsou často hodnoceny především podle schopnosti odstraňovat původní znečištění nebo podle energetické náročnosti provozu. Stejně důležité je však sledovat také chemické procesy probíhající během samotného čištění a látky, které při nich vznikají. Některé z identifikovaných sloučenin jsou navíc těkavé a mohou se uvolňovat do ovzduší v bezprostředním okolí čistíren, což otevírá další otázky související s ochranou pracovníků i okolního prostředí.