Týmu brněnských vědců z VUT, Masarykovy univerzity a Botanického ústavu AV ČR se podařilo vyvinout zcela unikátní zařízení CaviPlasma, které dokáže z předčištěné odpadní vody odstranit i zbytky mnoha chemikálií a léčiv. „Naše zařízení dokáže spojením dvou dosud nespojitelných technologií tento problém vyřešit, a to v měřítku, které je bez problémů použitelné v praxi,“ říká vedoucí odboru fluidního inženýrství na FS VUT Pavel Rudolf.
Vaše zařízení získalo český patent a nyní čeká na udělení patentu evropského. Co je na něm tak tedy unikátního? Naše řešení je jedinečné v tom, že kombinuje hydrodynamickou kavitaci a plazmový výboj. Plazmové výboje se již pro čištění vody využívají, existuje například metoda, kdy, zjednodušeně řečeno, dochází k nízkoteplotnímu plazmovému výboji nad hladinou vody v nádobě. Využití této metody by ale bylo ve vodárenské praxi extrémně neefektivní, protože takto lze pročistit jen zhruba sklenici vody za hodinu. I proto je vhodná maximálně pro laboratorní účely. My jsme se vydali jinou cestou a začali uvažovat nad tím, jak by se dala plazma zapálit přímo v objemu vody.
Což je na první pohled nemožné. Na ten první ano, protože plazmový výboj vyžaduje plynné prostředí. To se dá udělat například tak, že se za vysokých energetických nároků mezi elektrodami nejprve voda odpaří a potom může následovat vlastní výboj. To je metoda, kterou známe, ale ani ta nám nevyhovovala, protože její efektivita by nebyla příliš velká. Proto jsme zkusili jít cestou kavitace. Vzali jsme trubku, již jsme vhodně vytvarovali, a vytvořili tak úzké místo, kterým proudí voda vysokou rychlostí. Lokálně zde poklesá tlak pod hodnotu tlaku sytých par a dochází ke vzniku parních bublin, což je proces nazývající se hydrodynamická kavitace. Uvnitř trubky plné vody nám tedy vznikly „kapsy“ vyplněné párou. A když se pak do těchto kapes umístí dvě elektrody s vysokým napětím, je možné realizovat plazmový výboj. Díky této technologii je možné zpracovávat desetitisíce litrů vody za hodinu. Na našem nejmenším zařízení je to konkrétně 1 500 l, na středním 15 tisíc l a máme v plánu postavit ještě jedno zařízení, které by dokázalo zpracovat 80 tisíc l vody. Technologicky to možné je.
Spojení plazmatických výbojů a kavitace ještě nikoho nenapadlo. Co na tuto cestu navedlo vás? Dlouho jsme se u nás na odboru zabývali kavitací jako negativním jevem, který dokáže ničit čerpadla a vodní turbíny. Zhruba před 10 lety jsme zkusili změnit pohled a na kavitaci nahlížet také jako na proces, který může být užitečný. Už tenkrát nás napadla myšlenka, že by mohla pomoci s ničením patogenních organismů. Profesor Pochylý z našeho pracoviště se spojil s profesorem Blahoslavem Maršálkem z Botanického ústavu AV ČR a postavili jsme několik zařízení, která byla založena čistě jen na kavitaci, nebo na kavitaci s příměsí malého množství peroxidu vodíku jako dezinfekčního činidla. Ale i když naše metoda fungovala, pořád se nám zdála efektivita příliš nízká. Pak jsem se na přelomu let 2017 a 2018 v rámci jedné spolupráce dostal k fyzikům na Masarykově univerzitě, kteří zase využívali plazma k dekontaminaci vzduchu. Tenkrát od nás strojařů potřebovali postavit ventilátor, kterým by se nasával kontaminovaný vzduch a oni by zde zapálili plazmový výboj. Právě tehdy jsem se zeptal doc. Pavla Sťahela, zda by se dala plazma použít i na čištění vody, pokud bychom použili hydrodynamickou kavitaci k vytvoření plynného prostředí. Nápad ho zaujal a tak vlastně začala naše spolupráce, která vedla až ke CaviPlasmě.
A jakou roli hraje v projektu Botanický ústav AV ČR? Potřebovali jsme si ověřit, že metoda funguje, tedy že skutečně dochází k dekontaminaci a k ničení mikroorganismů a chemických látek. V tom nám pomohl právě profesor Maršálek, který se celoživotně zabývá toxikologií a sinicemi, má na to vybavení i perfektní tým. Takže jsme začali CaviPlasmou prohánět sinice, řasy, bakterie i zbytky různých léčiv a další chemikálie. Ověřili jsme si, že metoda funguje a nyní prověřujeme aplikační možnosti, tedy kde všude CaviPlasmu můžeme nasadit, protože i když funguje, není to samozřejmě všelék, který by se dal univerzálně použít na dekontaminaci všech typů znečištěných vod. Nicméně se ukazuje, že možností, kde je možné ještě efektivitu testovat, je celá řada. Vlastně nás neustále napadají nové a nové.
K výzkumu mě napadá ještě jedna otázka. Při vývoji CaviPlasmy šlo spíše o simulace, nebo o experimenty? Výzkum probíhal hodně experimentálně, simulací jsme vlastně prováděli poměrně málo, protože popsat matematicky kavitaci a nízkoteplotní plazmatické výboje dohromady není zatím možné. Je to natolik komplexní záležitost, že na to zatím nejsou žádné matematické modely. Jsme schopni modelovat kavitaci, což jsme i v rámci tohoto výzkumu dělali. Postavili jsme si virtuální počítačový model, kde jsme simulovali to, jak se voda vypařuje a vznikají kapsy páry. Kolegové fyzici jsou zase schopni modelovat nízkoteplotní plazma, ale spojit dohromady jsme tyto dvě části ještě nedokázali. Což je pro nás ale velká výzva a budeme se o to snažit. Nyní jsme pro všechna tři pracoviště dohromady získali finance z projektu GA ČR a budeme pracovat na fundamentálním výzkumu interakcí mezi hydrodynamickou kavitací a studenou plazmou. Zaměříme se na základní procesy a jejich pochopení, protože jsme vlastně ten primární výzkum do značné míry přeskočili a máme už zařízení, které prakticky funguje, jeho schopnosti jsou experimentálně ověřeny, ale zatím nejsou rozkryty všechny procesy, které by jeho funkci detailně popisovaly. Nyní se tedy budeme tři roky věnovat i tomuto základnímu výzkumu, abychom měli práci kompletní.
Když se podíváme na samotný proces čištění vody, co je vlastně principem efektu CaviPlasmy? Jakmile se nám podaří vytvořit za pomoci kavitace ve vodě kapsy plné vodní páry, můžeme do nich přivést elektrody a realizovat plazmový výboj. Vysoké napětí v páře začne rozkládat molekuly vody, takže H2O se rozloží na H+ (kationt vodíku) a OH– (hydroxylový aniont). V okamžiku, kdy OH– zrekombinuje, vytvoří se H2O2, což je peroxid vodíku, který je oxidačním činidlem, a okamžitě díky svým vlastnostem nastartuje proces dekontaminace, např. oxidaci membrán patogenních bakterií nebo mineralizaci organických sloučenin. Za silně oxidačního působení plazmy a kavitace dochází k tomu, že se z organických látek stanou až látky anorganické. U některých odolnějších látek k tomu ale potřebujeme několik průchodů, než se je z vody podaří odstranit. I tak má metoda ale ohromný potenciál ve vodárenské praxi.
Pokud by se CaviPlasma nasadila v čistírnách odpadních vod, do jaké fáze čisticího procesu by zasáhla? Na CaviPlasmu je třeba se dívat jako na terciární stupeň čištění. Odpadní voda nejprve prochází mechanickou sedimentační fází, poté biologickou fází, kdy se o čištění starají bakterie. Jenže bakterie nedokážou z vody odstranit některé chemikálie a zbytky léčiv, jako jsou třeba estrogeny z hormonální antikoncepce či antibiotika. V ten moment by tedy přišla na řadu naše metoda. Máme prvotní měření, která pro nás dělal brněnský Recetox, což je výzkumné centrum Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity. Pracovalo se se skutečnou vodou v čistírně odpadních vod v Modřicích, kdy se za pomoci CaviPlasmy snižovaly koncentrace léčiv obsažených v odpadní vodě. V rámci měření jsme pracovali s typickými zástupci různých skupin léčiv — jednalo se například o antiepileptika, analgetika či antibiotika — a výsledky byly velmi dobré. Dnes sice terciární stupeň není ještě povinný, ale Evropa o něm už hovoří a legislativa se připravuje. Je tedy jen otázkou času, kdy bude ve členských státech EU terciární čištění zavedeno tak, jako například ve Švýcarsku, kde musejí v čistírnách odpadních vod odstraňovat takzvané mikropolutanty, což jsou právě zbytky léčiv a dalších organických látek jako zbytky pesticidů, herbicidů či těkavých látek. Díky terciárnímu dočištění se pak otevírají další možnosti využití takto vyčištěné vody, protože nedává úplně smysl ji všechnu pouštět zpět do řeky. Hovoří se tedy o cirkulárním využití vody buď v zemědělství na závlahy, nebo třeba na závlahy městské zeleně, sportovišť atp.
Šlo by CaviPlasmu využít ještě v jiných oblastech průmyslové výroby? S naším zařízením lze kromě dekontaminace vody vytvářet takzvanou plazmatem aktivovanou vodu. Když vezmeme čistou, kohoutkovou vodu a proženeme ji CaviPlasmou, dochází v ní ke vzniku peroxidů, především peroxidu vodíku, což je dezinfekční činidlo. Získáme tedy roztok vody a peroxidu vodíku, tedy slabě dezinfekční roztok, který se dá použít v zemědělství, zejména v oblasti pěstování ve sklenících. Tam totiž producenti často bojují s lavinovým šířením chorob, které je třeba omezit bez použití klasické zemědělské chemie. Metoda již byla úspěšně testována u některých rostlin pěstovaných v systémech vertikálního zemědělství. Nyní ji zkoušíme aplikovat i v lesnictví, zejména při péči o semenáčky buků a jedlí.
Máte již domluvenou nějakou spolupráci s komerčním sektorem? Ano, už jednáme se dvěma firmami, které projevily zájem. Nyní jsme ve stadiu, kdy máme zařízení, které funguje jako výzkumné zařízení v laboratoři, ale zatím nemá potřebné certifikace, aby mohlo na trh. A firmy chtějí také ještě provést některé další testy, aby si ověřily, že bude pro jejich potřeby vyhovující. Nyní tedy budou firmy za naší spolupráce vyrábět prototypy a ty budou ještě testovat ve svých podmínkách. Uvítáme ale i další případné investory a výrobce; věříme, že zařízení má velký potenciál a široké aplikační pole. Kromě dvou stávajících zařízení plánujeme postavit ještě třetí, u kterého by byl průtok 80 tisíc l/h, což je vlastně zároveň maximální kapacita, kterou jsme schopni v laboratoři zvládnout. Výhodou CaviPlasmy je však také to, že zařízení jdou kombinovat paralelně, takže se dá podle potřeby do praxe nasadit i více jednotek najednou. /Kristina Kadlas Blümelová/
