Nanočástice železa pomohou vyčistit spodní vody

Možnosti, jak využít vlastností nanočástic železa v praxi při čištění kontaminovaných spodních i povrchových vod, zkoumá řešitelský tým Miroslava Černíka z Fakulty mechatroniky a mezioborových inženýrských studií Technické univerzity v Liberci ve spolupráci s vědeckými týmy brněnské Masarykovy univerzity, olomoucké Univerzity Palackého a s akciovou společností Aquatest. Realizace projektu byla zahájena letos v červenci a liberečtí vědci na ni získali dotaci 26 mil. korun od Akademie věd České republiky, v rámci programu Nanotechnologie pro společnost. Ukončení projektu bylo stanoveno za 2,5 roku, tedy v roce 2008. Projekt nazvaný Výzkum výroby a použití nanočástic na bázi nulmocného železa pro sanace kontaminovaných podzemních vod má za cíl vývoj a výrobu nového nanomateriálu na bázi povrchově modifikovaných železných nanočástic. Nanočástice nulmocného, tedy elementárního železa, mají totiž specifické vlastnosti využitelné při oxidačně redukčních reakcích. Tyto reakce vedou k odbourání specifikovaných kontaminantů, například chlorovaných uhlovodíků a těžkých kovů v podzemních vodách. Oxidací kontaminantů vznikají netoxické nebo podstatně méně toxické sloučeniny. Projektový úkol řeší velmi aktuální téma. Podzemí České republiky bylo totiž v minulosti průmyslovou činností silně znečištěno a kontaminace spodních vod je vážným problémem. Mnoho lokalit v ČR je znečištěno chlorovanými uhlovodíky, například tetrachlorem. Do spodních vod se jedovaté látky dostaly neopatrným požíváním rozpouštědel při různých výrobách. Jiným typem kontaminantu je chrom, používaný v procesech pochromování. Šestivalentní chrom je rozpustný ve vodě, a vyznačuje se proto velkou migrací. Je jedovatý a karcinogenní, a pokud se dostane ke zdroji pitné vody, znamená velké zdravotní riziko. Sanace kontaminovaných spodních vod je proto nezbytná a vědci hledají moderní a účinné metody. Dřívější postup, při kterém se kontaminovaná voda odčerpávala z vrtů vyhloubených do kolektoru spodní vody, se ukázal na mnoha lokalitách jako málo účinný s prostorově omezeným rozsahem. Účinnějším se jeví postup, při kterém se do podzemí zasákne účinná látka schopná vyvolat reakci, při které se kontaminant mění na méně toxickou látku, nebo se v podzemí stabilizuje tak, aby kontaminace dále nemigrovala. To jsou metody založené na oxidačně redukčních procesech. Jako vhodná účinná látka se již osvědčilo elementární železo, vysvětluje Černík. Podstata reakce, při které se mění vlastnosti toxických látek, je založena na schopnosti nanočástic železa působit na některé látky a měnit jejich oxidační stav. Například redukovat mocenství chromu v toxických látkách ze šesti na tři. Trojvalentní chrom je méně rozpustný i méně pohyblivý, vysráží se a kontaminovaná voda se stane opět pitnou. Vědci českých vysokých škol dělají také experimenty na reakci nanoželeza s dalšími kontaminanty jako je arzen, který se do přírody dostal z nedostatečně zabezpečených koželužen. Ukazuje se, že po reakci s nanoželezem se snižuje jeho rozpustnost vazbou na vznikající oxidy železa Nadějně vypadají také experimenty reakcí nanočástic železa s šestimocným uranem, který nadlimitně vytéká z některých uranových dolů. Po reakci s nanoželezem se vysráží jako méně toxický čtyřmocný prvek. Nanočástice železa mají tendenci reagovat už se samotným kyslíkem ve vodě. Těmito reakcemi se zvyšuje zásaditost vody, což by mohlo pomoci u vod kontaminových kyselinami. Nová metoda, kterou nyní na technické univerzitě v Liberci prověřují, je rychlejší, účinnější a přitom levnější než staré postupy. Ve vědecké literatuře se uvádí, že nanočástice železa reagují se 70 různými sloučeninami, proto je výběr konkrétní lokality na pilotní ověření velmi důležitý. Před vlastní aplikací však musíme ověřit optimální koncentraci železa, aby reakce i migrace byly optimální. Chceme prověřit a vyhodnotit také reakci nanoželeza s polychlorovanými bifenyly, domníváme se, že by nanočástice bylo možné využít i při odstranění dusičnanů z vod a podobně, dodává Černík. Reakce železa, při které dochází ke změně oxidačního stavu toxického prvku, se využívá v praxi tak, že se cesty putujícímu kontaminačnímu mraku ve spodních vodách postaví do cesty hydraulická stěna vyplněná železnými pilinami. Kontaminační mrak stěnou proteče a voda se vyčistí. Metoda je ale prostorově příliš omezená, těžkopádná a často nepostihne hlavní oblast znečištění. Čeští vědci si slibují, že ji budou moci nahradit moderním postupem s použitím nanočástice železa. Výhodou je, že nanočástice mají ve srovnání s pilinami větší měrný povrch a vyšší reaktivitu. Volně se ve vodě pohybují a zasáhnou větší prostor, Použití nanoželeza jsme již pilotně ověřovali v 5 lokalitách, například ve Spolchemii Ústí nad Labem nebo v Kuřívodech, při sanaci po sovětské armádě. Ověřování proběhlo také v zahraničí, na Slovensku v Piešťanech a v laboratorním měřítku i na jedné lokalitě v Německu a Británii, upřesnil Černík. Levný zdroj vhodných nanočástic železa je přitom takříkajíc na dosah ruky. Skrývá se ve starých důlních štolách zaplněných na první pohled nevábným blátem. Tým pracovníků Masarykovy univerzity ale objevil, že podstatnou část tohoto odpadního sedimentu nahromaděného ve starých dolech (např. v lokalitě Zlaté hory v Jeseníkách) tvoří přirozeně nanorozměrný oxid železitý (ferrihydrid). Společně jsme přišli na myšlenku získat ze sedimentu potřebné nanoželezo. Užitek by tak byl dvojnásobný, jednak bychom vyčistili kilometry chodeb od životní prostředí zatěžujícího sedimentu, a zároveň bychom získali cenově dostupné nanoželezo optimální pro sanaci kontaminovaných lokalit, říká Černík. Dodává, že výsledný produkt musí umět nejen redukovat kontaminaci, ale musí být také schopen migrovat do potřebné vzdálenosti, aby z jednoho vrtu bylo možné sanovat větší oblast než dosud. Nanoželezo také nesmí reagovat příliš rychle, ale musí v prostředí setrvat potřebnou dobu, aby se vyčistila voda i v hůře dostupných místech. A tak se žlutohnědé bláto stalo předmětem zkoumání. Vědci odebrali vzorky sedimentu z dolu ve Zlatých horách a na olomoucké univerzitě z nich vytvořili několik gramů dvou typů nanočástic. Jejich reaktivitu s chromem a chlorovanými eteny nyní testují na Technické univerzitě v Liberci. Po vyhodnocení výsledků probíhajících experimentů se sejdeme s kolegy z olomoucké univerzity, kteří těchto výsledků využijí při modifikaci výroby. Úkolem pro první rok je najít optimální vlastnosti produktu. Ve druhém roce bychom pak měli už začít s kilogramovou výrobou. Díky tomu, že spolupracujeme v rámci Výzkumných center, máme dost konkrétní představy o tom, jak by konečné nanočástice měly vypadat a jaké mají mít vlastnosti, aby se daly pro zmíněné účely využít", řekl Černík. Spolupráce vědeckých týmů umožňuje efektivní rozdělení úkolů. Masarykova univerzita je zodpovědná za nalezení vhodné výchozí látky (prekurzoru), za její charakterizaci a získání potřebných zásob. Olomoucká univerzita si vzala na starost výrobu nanoželeza a jeho základní charakteristiku. Liberecká univerzita se postará o laboratorní ověření nového materiálu v různých podmínkách. Společnost Aquatest zase koupí experimentální reduktivní pec, ve které bude schopna vyrábět kilogramová množství nanoželeza. Vyhledá také vhodné lokality, kde novou metodu pilotně vyzkouší. Samozřejmě ještě nevíme úplně přesně, jaký bude konečný produkt vývoje. Kulička nanoželeza může být různě veliká a povrchově modifikovaná. Může na ní být například slabá vrstvička oxidu, což jí může dodávat lepší vlastnosti. Máme své směry vývoje, které však z pochopitelných důvodů nebudeme zveřejňovat. Synergický efekt spolupráce čtyř subjektů je ale nezpochybnitelný. Velmi cenné jsou například zkušenosti Centra pro práškové nanomateriály Přírodovědné fakulty Univerzity Palackého. To je důvod k optimismu, řekl Černík. JAROSLAVA KOČÁRKOVÁ