Věda a výzkum

V oblasti membránových procesů byla činnost zaměřena na získání dalších experimentálních i teoretických poznatků tak, aby bylo možné rozšířit aplikační potenciál membránových procesů. V tomto směru bylo použití tlakových membránových procesů směrováno na likvidaci kontaminovaných odpadních vod a úpravu technologických vod, včetně vody pitné. Experimenty byly zaměřeny např. na studium procesů kombinujících sorpci a iontovou výměnu na vybraných materiálech nebo fotooxidaci na pevné fázi s membránovou mikro- a ultrafiltrací. Jako sorpční materiály byly testovány přírodní a syntetické zeolity, bentonity a práškové aktivní uhlí. Výchozím katalyzátorem byl oxid titaničitý. Byla ověřována účinnost procesů pro odstranění pevných nečistot, koloidních částic, těžkých kovů a organických sloučenin obsažených v separovaných systémech. Hlavní náplní činnosti v oblasti nanofiltrace bylo studium vlivu významných parametrů, jako např. koncentrace těžkého kovu v roztoku, počáteční koncentrace barviva a soli, tlakový rozdíl nad a pod membránou a typ membrány, na základní charakteristiky tohoto tlakového membránového procesu (intenzita toku permeátu a rejekce složek zpracovávaného systému).

   Na modelových systémech (voda-etanol-glukóza) byla ověřena možnost separace etanolu pomocí reverzní osmózy v režimu diafiltrace. Výsledky experimentů byly také aproximovány matematickým modelem kontinuální diafiltrace.

   Byly realizovány a zpracovávány výsledky týkající se separace vybraných směsí obsahujících anorganické kyseliny a jejich soli kontinuální dialýzou. Tyto experimenty byly doplněny měřením sorpčních izoterem. V případě systému kyselina sírová/síran sodný bylo s použitím vypracovaného matematického modelu zjištěno, že transport hmoty polymerní membránou je možné modelovat čtyřmi difúzními fenomenologickými koeficienty, které jsou závislé na koncentraci složek v membráně. Dále byly zpracovávány dříve získané výsledky zaměřené na elektrodialýzu vybraných organických kyselin. Na základě dalšího vypracovaného matematického modelu bylo možné předpovědět koncentrace kyseliny v jednotlivých komorách elektrodialyzéru a úbytek napětí na jednom membránovém páru. Byla též experimentálně studována možnost využití elektrodialýzy s heterogenní bipolární membránou při zpracování odpadního síranu sodného. Cílem bylo získání kyseliny sírové a hydroxidu sodného, které budou využitelné ve zdrojové technologii produkující odpadní vodu. Následně byly hledány optimální podmínky provozu recyklační jednotky, a to při použití reálné odpadní vody produkované při zpracování nadbilančních vod z odkališť v provozech GEAM s.p. Dolní Rožínka.

   Skupina reologie se zabývala dalším měřením reologických vlastností tavných lepidel a jejich komponent při teplotách v rozmezí od bodu měknutí až do cca 200 oC. Měření se týkala zjištění průběhu tokových křivek, viskoelastického chování (creep-recovery testy), oblasti lineární viskoelasticity na základě dynamických experimentů (oscilační testy) a reologického chování v závislosti na namáhání testovaných látek. Nově se reologická měření také zaměřila na zjišťování tokových vlastností farmaceutických látek (masti apod.) jako např. tixotropie, stanovení meze kluzu a časové a tepelné stability při namáhání látek za předpokládaných podmínek použití.

   V oblasti ekologických aspektů chemických technologií byl výzkum zaměřen na odstraňování průmyslově významných chlorovaných aromatických sloučenin (léčiv, herbicidů, azobarviv a vedlejších produktů z výroby azopigmentů) z modelových a/nebo reálných technologických a odpadních vod. Pro odstraňování zmiňovaných halogenderivátů z vod bylo provedeno ekonomické srovnání využití iontových kapalin, které je Univerzitou Pardubice patentováno, s konvenčními metodami založenými na aplikaci adsorpce, Fentonovy oxidace, oxidace železanem draselným, a technika koagulace a flokulace. Dle dostupných informací o cenách surovin se postup dle patentu Univerzity Pardubice CZ303942 (B6) jeví jako nejlevnější. Pro následné nakládání se separovaným podílem vznikajícím při izolaci zmiňovaných aromatických halogenderivátů s využitím iontových kapalin byly ověřovány použitelné metody vhodné pro destruktivní rozklad zmiňovaných halogenderivátů na produkty podléhající snadné biodegradaci. Pro destrukci aromatických halogenderivátů ve vodných roztocích je dále vyvíjena metoda reduktivní dehalogenace založená na použití běžných redukčních činidel v přítomnosti katalytického množství Raneyova niklu a techniky zpracování vznikajících produktů na průmyslově využitelné materiály. Souběžně bylo úspěšně ověřeno stanovení nízkých koncentrací halogenovaných aromatických sloučenin a produktů jejich degradace ve vodách s pomocí GC-MS spektrometrie. Výsledkem výzkumu jsou nové, ekonomicky nenáročné techniky, které jsou aplikovatelné v průmyslové praxi. Konkrétně byly výše uvedené techniky využívající iontové kapaliny technologicky ověřeny na provozech výroby barviv a pigmentů ve firmě Synthesia, a.s. (SBU Barviva a pigmenty). Využití chemické oxidace pro snižování obsahu organických látek v technologických vodách s použitím Fentonovy oxidace bylo poloprovozně ověřováno ve firmě Explosia, a.s.

   V oblasti odstraňování kontaminantů z odpadních vod byl experimentální výzkum zaměřen na studium možností odstranění reziduí léčiv z vody pomocí heterogenně katalyzovaných fotochemických reakcí ve vodném prostředí. Tyto fotokatalytické metody jsou velmi šetrné k životnímu prostředí a zároveň ekonomické, protože energie pro takové postupy může být dodána ve formě slunečního záření a jako oxidační činidlo může sloužit vzdušný kyslík. Tím lze dosáhnout takových koncentrací, které již nepředstavují pro životní prostředí a živé organismy žádné riziko a neznehodnocují vodu. V těchto procesech se jako heterogenní katalyzátory používají oxidy přechodných kovů (zejména TiO2).

   Ve spolupráci s VÚOS, a.s. byla posuzována biologická rozložitelnost a stálost v životním prostředí u biologického aditiva pomocí zkušební metody OECD. Jednalo se o testování bioaditiva zálivkové vody pro zvýšení výnosu, zlepšení zdravotního stavu rostlin a stimulaci kvality potravinových plodin.

   Studium nepřímé elektrochemické oxidace a možností jejího využití vyústilo v přijetí patentu CZ305477 (B6) “Wastewater treatment installation, use thereof and method of wastewater treatment”. Pokračovala spolupráce s Ústavem elektroniky a fotoniky FEI STU v Bratislavě za účelem testování a využívání nových elektrodových materiálů – zejména BDD elektrod. Již rok je v provozu testovací malá DČOV, pro kterou je připravován elektrochemický dočišťovací modul. Současně s využíváním elektrooxidačních metody byla testována i možnost snižování výstupních koncentrací celkového fosforu pomocí obětovaných elektrod. Byla navázána spolupráce formou smluvního výzkumu s firmou Glanstoff Bohemia s.r.o. v oblasti separace a regenerace zinku v odpadních a provozních vodách pomocí elektrodepozice.

   Společně s EPS Kunovice a UTB Zlín bylo pokračováno v novém směru činnosti ústavu – biotechnologiích – řešením problematiky pokročilé technologie lithotrofní imobilizace a anaerobní bioremediace pro nápravu a prevenci škod na životním prostředí. Výzkum je zaměřen na využití mikroorganismů rodu Thiobacillus ve formě reaktorového systému LITHIM, jehož smyslem je biologicky imobilizovat toxické prvky v odpadních vodách v režimu on site a in situ. Tato nízkonákladová anaerobní biodegradační technologie má za cíl akcelerovat biodegradační procesy v oblasti takzvaných starých ekologických zátěží. V oblasti čištění průmyslových odpadních vod bylo pokračováno ve výzkumu zaměřeného na odstraňování problematických kontaminantů (kyanidy, ropné látky) biologickou cestou.

   Bylo pokračováno ve spolupráci s:

  • společností Vision Sword, s.r.o. Šenov v oblasti depolymerizačních procesů polymerních materiálů jako např. pryže, plastů, dřeva aj. s využitím pyrolyzního zařízení,

  • podnikem Elektrárny Opatovice a.s., na řešení problematiky možného využití obsahu vápníku ve spalovaném typu uhlí a na intenzifikaci sedimentace škváry v procesu odsíření uhlí,

  • podnikem KYB Manufacturing Czech s.r.o., Pardubice – Staré Čívice při řešení problémů s chodem galvanizační linky autodílů.

   Byly rozvíjeny metodiky přípravy i následné prvkové analýzy vzorků vztahujících se k ochraně zdraví člověka i životního prostředí a k materiálové analýze. Vývoj nových aplikací založených na metodách atomové spektroskopie byl zaměřen na: 1. aplikace oaTOF-ICP-MS analýzy při komplexní ultrastopové analýze velmi malých vzorků, 2. využití oaTOF-ICP-MS pro plně prvkovou analýzu vzorků životního prostředí a následné statistické zpracování dat umožňující komplexní monitorování, 3. vývoj metod pro kvantitativní LIBS analýzu (Laser Induced Breakdown Spectroscopy), 4. aplikace XRF analýzy při řešení průmyslových analýz.

   V oblasti ekotoxikologie nanomateriálů proběhla ve spolupráci s pracovištěm CETA VUOS studie zaměřená na testování toxicity nanočástic ZnO dispergovaných v agarózovém gelu na roupici Enchytraeus crypticus. Ve spolupráci s pracovníky Katedry obecné a anorganické chemie byl započat vývoj metodik pro charakterizaci gelových živných médií pomocí SEM s cílem definovat stupeň agregace či aglomerace dispergovaných nanomateriálů. Pozornost byla věnována zejména optimalizaci technik přípravy vzorků tak, aby analyzovaný vzorek co nejvíce odpovídal původnímu materiálu. Ve spolupráci s pracovištěm CEMNAT byla vybudována laboratoř, která v dalším roce umožní provádět ekotoxikologické experimenty na půdě naší fakulty. Ve spolupráci s CETA VUOS byl uspořádán 42. ročník konference Průmyslová toxikologie a ekotoxikologie.

   Úvodní teoreticko-experimentální studium potenciometrického stanovení nanostříbra (nAg) na pevných amalgamových elektrodách AgSAE a studium kinetiky aglomerace nAg poskytlo prvotní informace o potřebě práce bez vzdušného O2, o až 10krát lepší reprodukovatelnosti funkce AgSAE než Ag-elektrody, o diferenci ve strmosti E vs. log c v přítomnosti Ag+ a v přítomnosti nAg, která činila 100 mV/jednotka log c, o závislosti rychlosti růstu nAg na jeho koncentraci c i na čase t, jakož i o toxicitě nAg vůči potěru kapra.

   V rámci studia procesů orientovaných na čištění vod byly získány jak prvotní informace o speciálních podmínkách využití potenciometrie s AgSAE pro sledování postupu úpravy speciální elektrárenské vody nebo jednoho kroku separace zinku ultrafiltrací, tak informace o využití katalyzovaného obětování (rozpouštění) anody při speciálním elektrooxidačním čištění vody a dále o výsledcích základního ověření funkce Cu-ISE elektrody, u níž byl upřesněn funkční rozsah pH na 4 až 7 (místo v dokumentaci uváděných 2 až 5).

   Výzkum byl rovněž zaměřen na vývoj nových voltametrických metod stanovení vybraných pesticidů a bioaktivních látek s využitím alternativních elektrodových materiálů. Kromě elektrod z netoxického stříbrného amalgámu (AgSAE) byl testován i bórem dopovaný diamant (BDD) a bismutové filmové elektrody (BiFE). Byla dokončena studie týkající se voltametrického chování herbicidů terbutrynu, linuronu, methiocarbu a metamitronu s využitím AgSAE a BDDE. Bylo prokázáno, že AgSAE může v této oblasti úspěšně nahradit rtuťové elektrody, jejichž používání je vzhledem k obsahu kapalné rtuti omezováno, a že pracovní elektrody vyrobené z BDD lze také využít v analýze ŽP a to konkrétně pro stanovení herbicidů terbutrynu, methiocarbu a linuronu. Dále bylo dokončeno studium voltametrického chování léčiv sulfasalazinu (AgSAE) a mesalazinu (BDDE) a byly vyvinuty metody jejich stanovení, které byly úspěšně aplikovány při analýze farmaceutických přípravků. Při vývoji metody stanovení protinádorového léčiva 5-fluorouracilu byla na základě rozsáhlé studie zvolena měděná pevná amalgámová elektroda (CuSAE), která umožnila využít tvorby komplexu léčiva s mědí. Zahájeny byly experimenty týkající se aplikace BiFE v oblasti analýzy biologicky významných látek (kyselina listová, dantrolen, aj.). Dalším směrem byla voltametrická analýza antioxidantů v ropných produktech. Konkrétně byla vypracována metoda stanovení pyrogallolu v biopalivech, jako je methylester řepkového oleje nebo směsná motorová nafta, a to s využitím výše uvedené BDDE. Dále byla zkoumána možnost voltametrického stanovení kyseliny askorbové v povýbuchových zplodinách. Tato problematika byla studována nejen voltametricky, ale i s využitím izotachoforézy.

   V oblasti využití dálkového průzkumu Země (DPZ) v monitoringu povrchových vod pokračovaly odběry vzorků se zaměřením na korelaci parametrů kvality vod s daty z nové družice Landsat 8. Byl testován a dále vyvíjen skript pro atmosférickou korekci družicových snímků, a zkoumány možnosti výběru pseudoinvariantních pixelů snímků pro jeho použití. Byly dále rozvíjeny časově nezávislé modely pro odhad vybraných parametrů kvality vod z dat DPZ, zejména zahrnutím nově provedených odběrů vzorků. Pokračuje zpracování naměřených dat i vzorkování s cílem zahrnutí většího množství dat do vytvářených modelů.