Reciklirana voda kot nov vodni vir

Ljudje s svojo dejavnostjo spreminjamo ozračje in klimo in s tem tudi vodni krog na površini Zemlje. Pitna voda, nekoč samoumevna in dostopna v neomejenih količinah, danes postaja dragocen vir. Skrb za pitno vodo je skrb nas vseh, zato je nujno, da začnemo sprejemati odgovornejše odločitve.

Pomanjkanje vode je ena največjih težav, s katerimi se spoprijema človeštvo. Kljub temu da Zemljo pokriva 70 odstotkov vode, postaja pitna voda naravni vir, ki ga najbolj primanjkuje. Več kot 95 odstotkov vode na Zemlji je slana oceanska voda, ki je ne moremo uporabiti za človeške potrebe ali za okolje. Danes pomanjkanje vode občuti že več kot 40 odstotkov svetovnega prebivalstva, do leta 2050 pa bo ta delež predvidoma narasel na dve tretjini. Model razvoja, ki temelji na intenzivnem izčrpavanju naravnih virov, poseganju v naravo in onesnaževanju okolja, ne ponuja obetavne prihodnosti. Narava ne bo mogla več dolgo ohranjati ravnovesja, ki nam ljudem omogoča življenje, kot ga poznamo. To se kaže v podnebnih spremembah, čedalje manjši količini padavin in njihovi neenakomerni razporejenosti, vremenskih ekstremih (po eni strani dolgotrajne suše, po drugi hude poplave) in nezadostni količini pitne vode.

Izr. prof. dr. Irena Petrinić in Hermina Bukšek, univ. dipl. inž. kem. tehnol. FOTO: arhiv UM  

Z recikliranjem vode v boj proti njenemu pomanjkanju

Prečiščevanje pitne vode je že zelo dolgo ključnega pomena za preživetje ljudi, kar dokazujejo risbe iz starega Egipta, iz obdobja 2000 let pr. n. št., na katerih vidimo stare tehnologije prečiščevanja vode, kot sta destilacija (na ognju) in filtracija (s peskom in gramozom). Čiščenje vode z destilacijo in filtracijo je prepočasno, predrago in energetsko neučinkovito za naše naraščajoče potrebe. Da bi te zadovoljili, se razvijajo popolnoma novi pristopi. Z naprednimi membranskimi tehnologijami lahko pomagamo zavarovati vodne vire in prispevamo h kakovosti pitne vode na način, da recikliramo prečiščeno morsko vodo in odpadno vodo, ki je imamo v izobilju. Strokovnjaki s področja pomanjkanja vode smo postopoma začeli uvajati pristope za ponovno uporabo prečiščenih odpadnih voda, razsoljevanje morske vode in druge prakse, ki bi omogočile izboljšanje razpoložljivih vodnih virov.

Slednje je gonilo raziskovalne skupine iz Laboratorija za vodno biofiziko in membranske procese na Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerze v Mariboru, v kateri pod vodstvom izr. prof. dr. Clausa Helix-Nielsena delujemo raziskovalke: izr. prof. dr. Irena Petrinić, Hermina Bukšek, univ. dipl. inž. kem. tehnol., in Ana Ambrož, mag. inž. kem. teh. Raziskujemo in razvijamo tlačno in osmotsko vodene membranske separacijske procese, s katerimi odpadno vodo pretvarjamo v nov vodni vir, ki ga je mogoče ponovno uporabiti za nove aplikacije.

Vrednotenje rezultatov analize zeta potenciala FOTO: arhiv UM

Membranske filtracije kot obetaven pristop

Pri reševanju izzivov in problemov, povezanih s pomanjkanjem vode, so se membranske filtracije izkazale za obetavno metodo. Ključna komponenta membranskih filtracij je membrana, to je fizična bariera z visokospecializiranimi lastnostmi, skozi katero lahko prehajajo le določene komponente. Membranske filtracije delujejo po principu prirojenih filtracijskih sistemov v človeškem telesu, kot so ledvice in jetra, ki so odgovorni za filtriranje krvi. Vrsta oziroma velikost komponent, ki bodo prehajale skozi membrano, pa je odvisna od velikosti por membrane, ki definira tudi vrsto filtracije (mikrofiltracija, ultrafiltracija, nanofiltracija, reverzna osmoza in osmoza).

Ena izmed tehnološko izpopolnjenih in v zadnjih letih pogosteje uporabljenih membranskih tehnologij pri procesih čiščenja in proizvodnji pitne vode je tehnologija, ki uporablja proces osmoze. Pri tej tehnologiji med vhodno raztopino (na primer odpadno ali slano oceansko vodo) in gonilno raztopino (raztopino z višjim osmotskim tlakom) poteka spontan prenos vode skozi polprepustno membrano zaradi razlike v osmotskem tlaku med obema raztopinama. Osmoza izvira iz bioloških sistemov, kjer je vitalen proces, saj so biološke membrane polprepustne. Izkoriščanje naravne osmotske sile v membranskih filtracijskih procesih ima veliko prednosti, saj takšni sistemi omogočajo učinkovito ločevanje vode od drugih snovi iz različnih vrst vhodnih raztopin z minimalnimi operativnimi stroški. Prednost procesa osmoze je, da ni treba dovajati zunanjega tlaka, ampak le malo zunanje energije za transport vhodne in gonilne raztopine, da se vzpostavi stik raztopin s polprepustno membrano.

Ploščata polimerna osmozna membrana v merilni celici. FOTO: arhiv UM

Napredna raziskovalna oprema

Odpadne vode, ki ustrezajo določenim standardom kakovosti, se lahko odvajajo v vodna telesa, kot so potoki, reke in mokrišča, ali se ponovno uporabijo. Postopki čiščenja odpadne vode so ves čas podvrženi vse strožjim zahtevam glede kakovosti odpadnega toka. To je stalen izziv, ki zahteva izboljšavo učinkovitosti odstranjevanja stranskih produktov in onesnaževal, da se izpolnijo uveljavljene okoljske regulativne omejitve.

Odlična metoda za preverjanje onesnaženosti odpadne vode je merjenje celokupnega organskega ogljika (TOC). S to metodo lahko, v primerjavi z drugimi, kot sta biokemijska potreba po kisiku in kemijska potreba po kisiku, natančneje in hitreje identificiramo nekatera onesnaževala. TOC je merilo za količino organskega ogljika, ki je v neki snovi. Za namen dokazovanja kvalitete vode, onesnaženosti oziroma spremljanje sprememb v njeni sestavi uporabljamo vrhunski TOC/TN_b analizator Multi N/C 3100 (AS vario, CLD, HT 1300) nemškega podjetja Analytik Jena GmbH. Z njim določamo celokupni organski ogljik in celokupni vezani dušik (TN_b). Analizator je visokokakovostno analitsko orodje, s katerim lahko hitro in enostavno analiziramo tekoče in trdne vzorce. S svojo zmogljivo tehniko omogoča ločeno določanje celokupnega ogljika (TC) ter celokupnega anorganskega ogljika (TIC), s pomočjo katerih lahko določimo celokupni organski ogljik (TOC) v vzorcu (TOC = TC – TIC). Glavna prednost analizatorja je, da omogoča določanje hlapnega organskega ogljika (POC) in nehlapnega organskega ogljika (NPOC), saj se CO₂ iz zraka raztaplja v vzorcu in povečuje vrednost celokupnega organskega ogljika.

Določanje celokupnega organskega ogljika in celokupnega vezanega dušika v tekočih vzorcih (Multi N/C 3100, Analytik Jena GmbH). FOTO: arhiv UM

V preteklih desetletjih je bilo veliko dela posvečenega karakterizaciji čistih in zamašenih membran ter modifikaciji membranskih površin s premazi, ki zavirajo proces mašenja membran. Kljub prizadevanjem je mašenje membrane neizogibno, predvsem zaradi visokih tokov, ki vodijo nečistoče na površino membrane. Posledično so fizični in kemični načini čiščenja, znani pod imenom 'čiščenje na mestu', nepogrešljivi za zagotovitev trajnostne uporabe membranske tehnologije. Pomembno je razumevanje delovanja membrane, okoliščin, kot sta hitrost navzkrižnega toka in temperatura med čiščenjem, in učinkov čiščenja na nastanek in odstranitev biofilma. Karakterizacija membran je pomembna za razumevanje transportnih mehanizmov, zato je možnost določitve zeta potenciala na površini membrane velika prednost. Za spremljanje sprememb, nastalih na površini membran, uporabljamo elektrokinetični analizator SurPASS^TM 3 podjetja Anton Paar, d. o. o., ki omogoča popolnoma avtomatizirano in visokokakovostno analizo zeta potenciala na membranah, ki so v stiku z elektrolitom. Zeta potencial oziroma elektrokinetični potencial je nosilec informacije o elektrokinetičnih lastnostih površine, kar pomeni, da daje informacijo o površinskem naboju in o interakciji površine z raztopino elektrolita, zaradi česar dobimo informacijo o stanju, kvaliteti in lastnostih membrane v polarnem mediju. Instrument temelji na metodi merjenja pretočnega potenciala ali toka za neposredno določanje zeta potenciala na površini, kjer je gonilna sila tlačna razlika.

Namestitev merilne celice s ploščato polimerno membrano na instrument za določitev zeta potenciala (SurPASS 3, Anton Paar GmbH). FOTO: arhiv UM

Sodoben raziskovalni sistem, ki ga sestavljata TOC/TN_b analizator in elektrokinetični analizator, nam omogoča hitre in zanesljive analize pri raziskavah o obdelavi odpadnih voda z membranskimi separacijskimi procesi in hitrejše pridobivanje podatkov pri razvoju in testiranju novih membran. Z razvojem novih membran je mogoče razviti procese z višjo dodano vrednostjo na področjih prehrane, varstva okolja in farmacije.

Vključenost v okolje in sodelovanje z industrijo

Vedno strožji kriteriji pri čiščenju odpadnih voda zahtevajo novitete oziroma izboljšave tehnologij čiščenja, ki se bodo razvijale v smeri razvoja biomimetike in biofizike za okoljsko in kemijsko inženirstvo, kjer je mogoče na temelju teh pristopov razviti nove materiale in procese. Hkrati obstaja vse večja potreba po raziskavah in inženiringu naprednih materialov in procesov za okoljske aplikacije, kot so antivirusne površine, razvoj senzorjev ter separacija in obnavljanje virov. Pojav novih strukturiranih, bioaktivnih in ogljikovih materialov, kot so elektropredeni strukturni porozni materiali, aktivne membrane z vgrajenimi encimi in ogljikovi molekularni filmi, je še pospešil raziskovalno zanimanje za okoljske aplikacije.

Ploščata polimerna osmozna membrana v petrijevki in modul z votlo-vlaknastimi osmoznimi membranami. FOTO: arhiv UM

Poleg raziskav je vključenost v realno okolje pomemben vidik našega akademskega delovanja. Sodelujemo s partnerji iz industrije, ki omogočajo prenos naših tehnologij v prakso. Skozi sodelovanje si prizadevamo razumeti njihove potrebe in izzive ter razviti rešitve, prilagojene določenim zahtevam. Tesno sodelujemo s podjetjem Aquaporin A/S, pionirjem v tehnologiji vode, ki je z razvojem biomimetičnih membran ponudilo nov pristop k reševanju globalnih izzivov pri recikliranju vode. To sodelovanje je pomembno vplivalo na naš razvoj inovativnosti, oblikovanje novih idej in iskanje priložnosti. Prizadevamo si najti najučinkovitejšo in energetsko varčnejšo rešitev za čiščenje vode. Naš raziskovalni vpliv se meri z razvojem in izboljšanjem membranskih tehnologij, s katerim želimo prispevati k trajnostni in učinkoviti rabi vodnih virov.

–––––––––

Izr. prof. dr. Irena Petrinić in Hermina Bukšek, univ. dipl. inž. kem. tehnol., sta raziskovalki v Laboratoriju za vodno biofiziko in membranske procese na Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerze v Mariboru.