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. 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).

Byla ověřena možnost separace vícesložkových směsí pomocí reverzní osmózy v režimu diafiltrace.  Jednalo se o systémy obsahující vyšší alkoholy, estery, glukózu a vodu. Při experimentech byl studován vliv hydrodynamických parametrů na výkon a separační účinnost membránového procesu.

Byly realizovány experimenty ve vsádkové cele s cílem stanovit permeabilitu aniontově-výměnné membrány Fumasep-FAD (Fumatech, Německo) pro vybrané anorganické kyseliny. V této souvislosti byl vypracován matematický model umožňující výpočet permeability membrány z časových závislostí koncentrace kyseliny a objemu roztoku v jednotlivých komorách vsádkové cely. Kromě toho byly zpracovány dříve získané výsledky při kontinuální dialýze modelových roztoků HCl + NaCl. Zvolený systém se vyznačuje tím, že za určitých experimentálních podmínek je kyselina transportována proti svému koncentračnímu gradientu. Tato skutečnost si vyžádala vypracování nových metod analýzy eperimentálních dat.

Pokračoval též experimentální výzkum zaměřený na využití elektrodialýzy s heterogenní bipolární membránou při zpracování odpadního síranu sodného z odpadních vod v provozech GEAM s.p. Dolní Rožínka. Byly realizovány a vyhodnoceny poloprovozní experimenty, jejichž výsledky jsou podkladem pro návrh a stavbu provozního zařízení. Současně byly vyvíjeny metodiky pro testování jak samotných bipolárních membrán, tak i elektrodialyzačních modulů osazených těmito membránami. Cílem je nalézt uspořádání a podmínky pro jednoduché a reprodukovatelné testy, jejichž výsledky budou použitelné nejen pro porovnávání různých typů membrán, ale i jako výchozí bod pro nalezení optimálních podmínek provozu a rutinní chemicko-inženýrské návrhy provozních zařízení.

Skupina reologie se zabývala měřením reologických vlastností polyuretanových lepidel využívaných v automobilovém průmyslu a jejich komponent s ohledem na vliv teploty (teplotní interval 20 - 50 oC), a mechanických vlastností při jejich vytvrzování ve spolupráci s firmou SYNPO a.s. 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. Byly určovány také body gelace lepidel a teploty skelných přechodů zesítěných lepidel. Další reologická měření byla také zaměřena na zjišťování tokových vlastností látek používaných ve farmaceutickém průmyslu (masti, apod.) ve spolupráci s Katedrou farmaceutické technologie Farmaceutické fakulty UK v Hradci Králové. Hlavními aspekty reologických měření bylo zjišťování 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 technikou 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 byla vyvinuta metoda reduktivní dehalogenace založená na použití běžných redukčních činidel v přítomnosti katalytického množství Raneyova niklu (CZ 305586 (PV 2014-367))  a byly vyvíjeny techniky zpracování vznikajících produktů na průmyslově využitelné materiály. Souběžně bylo úspěšně ověřeno stanovení nízkých koncentrací Clopyralidu (halogenované heterocyklické sloučeniny používané jako moderní herbicidní přípravek) ve vodách s pomocí elektroanalytické metody. Výsledkem výzkumu jsou nové, ekonomicky nenáročné techniky, které jsou aplikovatelné v průmyslové praxi. Aplikovaný výzkum a experimentální vývoj výše uvedených technik využívajících iontové kapaliny, prováděných ve spolupráci s firmami VUOS, a.s., a Synthesia, a.s., byl finančně podpořen Technologickou agenturou ČR schválením projektu Epsilon „Efektivní odstraňování aromatických halogenderivátů (AOX) z lokálních průmyslových zdrojů“.  Vedle toho byla navázána smluvní spolupráce s firmami Farmak a.s. a TEPVOS, a.s. zaměřená na problematiku omezování emisí organických halogenderivátů v odpadních vodách.

Dále byly studovány možnosti využití fotokatalytického odbourávání residuí léčiv a barviv z odpadních vod při využití ekonomicky výhodných LED zdrojů UV záření a TiO2 katalyzátoru.

Rozsáhlý soubor experimentálních dat byl též získán při studiu možností likvidace průsakových vod ze skládek komunálního odpadu. Byly studovány jak základní srážecí metody, tak i pokročilejší procesy jako jsou sorpce na přírodních zeolitech, reverzní osmóza, elektrodialýza a fotokatalytické odbourávání.

Dále byla zkoumána vhodnost použití dvou organických odpadů (pšeničné plevy a meruňkové pecky) pro adsorpci těžkých kovů (Ni, Cd) z vod. Byly studovány především adsorpční izotermy a v omezené míře i kinetika adsorpce. Pokusy byly prováděny s rozemletým a vytříděným odpadem bez úpravy a s chemickou modifikací materiálu s použitím H2SO4, kyseliny citronové a NaOH. Experimentálně stanovené izotermy byly korelovány s běžnými rovnovážnými modely, jako jsou Langmuierova a Freundlichova izoterma.

Ve spolupráci s VÚOS a.s. byla vyvinuta, zvalidována a optimalizována metoda HPLC pro testování barviva Acid Black 26. Tato metoda byla použita pro ekotoxikologické testy na sladkovodních řasách druhu Desmodesmus subspicatus a dafniích druhu Daphnia magma. Důvodem testování je registrace REACH barviva Acid Black 26, jež je nutná pro nově zaváděnou chemickou látku v Evropské Unii. Získané výsledky z testu inhibice řas byly poskytnuty ekotoxikologické skupině, která provedla výpočet hodnoty EC50 (což je efektivní koncentrace, která imobilizuje 50 % testovaného organismu).

V oblasti odstraňování kontaminantů z odpadních vod bylo pokračováno ve studiu heterogenně katalyzovaných fotochemických reakcí ve vodném prostředí za přítomnosti oxidu titaničitého.

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 elektrooxidační metody byla testována i možnost snižování výstupních koncentrací celkového fosforu pomocí obětovaných elektrod. Bylo dosaženo 95-99% účinnosti odstranění fosforu v rozmezí počátečních koncentrací 12-25 mg/l, což vysoce překračuje účinnost odbourávání fosforu současných domovních ČOV. V současnosti se řeší optimální skladba obětované anody z hlediska minimalizace odpadního kalu, resp. možnosti jeho využití v zemědělství (omezení Al v sedimentovaném kalu a současné zvýšení obsahu Mg v kombinaci s vysráženým P představuje významný zdroj biogenních prvků). 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. Tato spolupráce pokračuje a je zaměřena na zvýšení efektivity pomocí nových katodových materiálů na bázi titanu pokoveného Pt, Au a případně Pd. Cílem je omezit emise Cr a Ni ze současně používaných nerezových katod a zvýšit selektivitu a účinnost elektrodepozice zinku za přítomnosti jiných kovů ve zpracovávaných odpadních a procesních vodách.

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 v rámci projektu TAČR TA04020258. 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. Úspěšným výstupem projektu byl návrh a ověření funkčního vzorku lithotrofního bioreaktoru LITHIM, jenž byl završen udělením užitného vzoru č. 29821 „Zařízení pro zachycení iontů kovů ze znečištěných vod biologickou imobilizací“ na toto řešení.

Společně s Výzkumným ústavem lesního hospodářství a myslivosti, v.v.i. a firmou TERAMED, s.r.o. byl podán v rámci 2. veřejné soutěže programu Epsilon (TAČR) projekt s názvem „Vývoj metodicko-technických postupů minimalizace dopadů lesního hospodářství na kvalitu podzemních vod v důsledku nadbytečné migrace reaktivních forem dusíku a fosforu“. Tento projekt byl přijat a od 1. 1. 2017 bude ve spolupráci výše uvedených pracovišť řešen.

V oblasti čištění průmyslových odpadních vod bylo pokračováno ve výzkumu zaměřeného na odstraňování problematických kontaminantů (např. ropných látek) biologickou cestou. Rovněž bylo pokračováno ve spolupráci s podnikem Elektrárny Opatovice a.s. při řešení intenzifikace sedimentace škváry a zlepšení její filtrovatelnosti v procesu zpracování produktů ze spalování paliva Mibrag.

Byly rozvíjeny metodiky přípravy vzorku k analýze spolu se statistickými metodami plánování experimentu a postupy následné prvkové analýzy vzorků ve formě roztoků a suspenzí využívající ICP-OES, ICP-MS a spojení ICP-MS s elektrotermickým vypařováním (ETV). Tyto postupy byly využity při popisu vlastností a chování komplexů gadolinia používaných jako kontrastní látky v lékařské diagnostice. Byly studovány schopnosti zelené řasy (Chorella Keslleri) a vybraných biosorbentů akumulovat tyto látky, což přispívá k objasnění jejich osudu v životním prostředí i k nalezení možných mechanismů jejich odstraňování z nemocničních odpadních vod. Byla vypracována metoda ETV-ICP-MS stanovení thallia v jehličí v suspenzní formě vzorku, jež je významným krokem ke komplexní prvkové ICP-MS analýze mikrovzorků na pracovišti. Byl vyvinut postup přípravy a následné ICP-OES analýzy mikrovzorků živých organismů (Enchytraeus albidus) pro účely hodnocení ekotoxikologických testů. Metody plánování a analýzy experimentu byly využity při optimalizaci přípravy vzorků zvířecích srstí a lidských vlasů k prvkové analýze a při plánování pokusů vedoucích k ověření spolehlivosti a vypovídací schopnosti prvkové analýzy vlasů/srstí v kontextu hodnocení zdravotního stavu a environmentálních či pracovních rizik prostředí. V oblasti aplikací LIBS byly vyvíjeny metodiky stanovení povrchové koncentrace prvků v ultra-tenkých vrstvách. Pozornost byla věnována analýze pevných vzorků (antikorozních vrstvy plechů) a kapalných vzorků nanesených na pevném nosiči (výluhy šperků v modelovém potu).  

Skupina ekotoxikologie nanomateriálů se zabývala zejména aktivitami souvisejícími s přesunem činnosti z laboratoří partnera CETA-VUOS na nové pracoviště vytvořené ve spolupráci s CEMNAT. Dále pokračovala činnost v oblasti studia ekotoxicity nanomateriálů dispergovaných v agarózovém gelu na půdních organismech. Metodika základního testovacího postupu byla upravována s cílem zvýšit environmentální relevanci prováděných testů a obsáhnout větší počet sledovaných end-pointů. Kromě testů akutní toxicity byly provedeny i pilotní experimenty, které by v budoucnu měly umožnit testovat i toxicitu chronickou.

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 funkce 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. Přitom byla zmíněná strmost průběhu E vs. log c v prvém případě (Ag+) kladná a ve druhém (nAg) záporná. Rychlost růstu nAg v závislosti na c a t byla charakterizována (v souladu s literaturou) průměrnými hodnotami rychlostních konstant a to na základě modelové představy odpovídající reakci I. řádu. Segmentová analýza průběhů naznačila však určitou časovou proměnlivost těchto konstant v rozsahu cca 15 % jejich průměrných hodnot. Pro odhad výchozích velikostí nAg při různých c se uvedené způsoby vyhodnocení ukázaly jako málo citlivé.

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. Na rozdíl od nereprodukovatelných výsledků na stříbrné Ag-elektrodě poskytla zde stříbrná amalgamová AgSAE možnost získání potenciometrického diagramu, jehož závislost na experimentálních podmínkách a využitelnost jsou předmětem dalšího výzkumu. Obdobné experimentální uspořádání bylo též využito i pro sledování Cu2+ v roztoku pomocí provozní měděné iontově-selektivní elektrody Cu-ISE v koncentračním rozsahu řádově 10-5 až 10-1 mol/L Cu2+, při změřené strmosti E-log c 22 mV na dekádu, opakovatelnosti E ±1 až 2 mV a teplotním koeficientu ±0,2 mV/K. Měření s Cu-ISE (v neutrálním a mírně kyselém prostředí) nepotvrdila rušivý vliv Zn2+.

Výzkum byl rovněž zaměřen na vývoj nových voltametrických metod stanovení vybraných bioaktivních látek významných z hlediska lidského zdraví a životního prostředí s využitím perspektivních elektrodových materiálů. Kromě elektrod z netoxického stříbrného amalgámu (AgSAE) byl testován i bórem dopovaný diamant (BDD) a bismutové filmové elektrody (BiFE). Byly dokončeny studie týkající se voltametrického chování kyseliny listové a dantrolenu na BiFE a vyvinuty metody stanovení těchto látek. Výsledky dosažené s využitím BiFE byly porovnány s výsledky získanými pomocí AgSAE vzhledem k tomu, že obě elektrody představují možnou alternativu k elektrodám rtuťovým, jejichž používání je s ohledem na toxicitu rtuti, resp. jejích par, omezováno. BDDE byla využita pro vývoj metod stanovení léčiv mesalazinu a dantrolenu. Dále byly zahájeny experimenty týkající se analýzy leukovorinu. V souvislosti s BDDE byla pozornost zaměřena také na charakterizaci elektrodového materiálu v závislosti na různém obsahu boru v diamantovém filmu. Byly studovány jak povrchové a strukturní vlastnosti filmu pomocí skenovací elektronové mikroskopie nebo Ramanovy spektroskopie, tak základní elektrochemické charakteristiky s využitím cyklické voltametrie nebo elektrochemické impedanční spektroskopie. Dále byly BDDE s různým obsahem boru testovány při analytické aplikaci, konkrétně byla dokončena měření s herbicidem linuronem a v současnosti probíhají studie s dantrolenem, mesalazinem a leukovorinem. Nově byla pozornost zaměřena také na problematiků růstových stimulantů pro rostliny. Byly vyvinuty podmínky pro voltametrickou kontrolu přípravku Sunagreen. Jedná se o analýzu směsi dvou kyselin, a to 2-aminobenzoové a 2-hydroxybenzoové. Ke stanovení byla využita anodická oxidaci v prostředí fosfátového pufru o pH 7 s využitím BDDE ve spojení s DC voltametrií. Metoda byla aplikována na praktické vzorky rostlinných stimulátorů.

Pokračovaly také experimenty zaměřené na voltametrickou analýzu antioxidantů v olejích. Byla vypracována nová metoda stanovení 2-terc-butylfenolu, která využívá zlatou diskovou indikační elektrodu v prostředí kyseliny sírové o koncentraci 0,18 mol.l-1. Závislost proudu na koncentraci analytu je nelineární, proto byl pro vyhodnocení výsledků navržen program Nelinear, respektující tento průběh. Metoda byla aplikována při analýze reálných vzorků. Jako další byl vyvinut postup voltametrického stanovení fosforečného antioxidantu, který je obsažen v minerálních olejích a je využíván k inhibici oxidace.

V oblasti využití dálkového průzkumu Země (DPZ) v monitoringu povrchových vod pokračovaly odběry vzorků se zaměřením na korelaci parametrů kvality vod s daty z  družice Landsat 8 a nově z evropské družice Sentinel-2. Pokračuje zpracování naměřených dat i vzorkování s cílem zahrnutí většího množství dat do vytvářených modelů a další optimalizaci postupů. Dále probíhalo testování vyvinutého skriptu pro atmosférickou korekci družicových snímků, zejména jeho možného využití pro zkvalitnění korekce problémových oblastí již korigovaných snímků v produktu Landsat 8 surface reflectance.