Zvětšit obrázek

Distribúcia vody na našej planéte (spracované podľa wikimedia.org)

Takmer tri štvrtiny zemského povrchu tvorí hladina vody. V súčasnosti ale až 97 percent všetkých vôd označujeme pojmom slané. Z toho vyplýva, že zvyšné 3 percentá by mala predstavovať voda „sladká“, vhodná na pitie. Áno, ale len teoreticky. Väčšina tohto trojpercentného zvyšku nie je dostupná vôbec, alebo len s veľkými nákladmi, pretože je obsiahnutá v pôde, v ľadovcoch a v príliš hlbokých vodných rezervoároch. Len asi jedno percento všetkej sladkej vody (!) máme reálne k dispozícii. Tu v strednej Európe si len najstaršia generácia pamätá naozaj katastrofálne sucho, ktoré postihlo povojnové Československo v roku 1947. Vtedy ale nešlo o dôkaz globálneho otepľovania, ako by tomu bolo dnes. V tých časoch bola aj malária na východnom a niekedy aj na strednom Slovensku už dávno známou chorobou, postihujúcou tisíce ľudí ročne (Wikipedia – heslo Martin Dziuban). Maláriu sme dávno porazili a jej prípadné znovuobjavenie by bolo nezvratným dôkazom bezprecedentných klimatických zmien. Dnes častejšie skloňujeme slovo záplavy, než pojem extrémne sucho (ale oba extrémy sú použiteľné ako dôkazový materiál). Pre nás bežné množstvo a najmä spôsob zaobchádzania s pitnou vodou je v mnohých končinách sveta pre ľudí nepredstaviteľné.

Zvětšit obrázek

v Spojených arabských emirátoch, neďaleko Dubaja, je vybudovaný gigantický komplex - najväčšie odsoľovacie zariadenie na svete, Jebel Ali. Morskú vodu na sladkú tu premieňajú pomocou destilácie. Potrebné teplo zo spaľovnej ropy sa využíva na výrobu vody i elektriny. Zdroj: stránka DEWA (Dubai Electricity and Water Authority)

Ľudská populácia stále rastie a problém s nedostatkom pitnej vody bude najmä v suchých oblastiach čoraz naliehavejší. Analytici investičnej banky Goldman Sachs odhadli, že každých 20 rokov sa celosvetová spotreba sladkej vody zdvojnásobí. To si už dnes vyžaduje využívanie aj iných zdrojov, než je klasické čerpanie z podzemných zvodnených horizontov. Už 17. storočí sa Sir Francis Bacon snažil cez jemný piesok prefiltrovať morskú vodu. V súčasnosti sa z nej sladká produkuje „vo veľkom“ viacerými metódami, ktoré sa zmestia pod spoločné označenie „odsoľovanie“. Všetky sú ale finančne pomerne náročné a tak ich využívajú najmä tie krajiny, ktoré na to majú. Najvýkonnejšie odsoľovacie zariadenie je v prevádzke v Spojených arabských emirátoch, v prístavnom meste Jebel Ali, asi 35 km východne od Dubaja. Vyprodukuje okolo 300 miliónov „kubíkov“ sladkej vody ročne. Spojené štáty americké majú najväčšiu odsoľovaciu „fabriku“ na Floride, v Tampa Bay, s produkciou takmer 10 krát nižšou – asi 34 miliónov metrov kubických ročne. Na celom svete pracuje odhadom okolo 16 tisíc odsoľovacích zariadení (15 200 pred 9 rokmi). Tie ale problém s nedostatkom pitnej vody zmenšia o asi 20 miliárd kubíkov ročne, čo predstavuje približne pol percenta celosvetovej spotreby. 75 percent celého vyprodukovaného objemu odsolenej vody zabezpečujú krajiny Stredného východu.

Na pretvorenie morskej vody na vodu sladkú sa využívajú hlavne dve technológie – známa destilácia a metóda takzvanej reverznej osmózy. Destilácia je nákladnejšia, vyžaduje viac ako jeden americký dolár na kubík, preto ju využívajú najmä arabské krajiny s dostatkom ropy na ohrev. Výhodou je, ak sa dá na tento účel využiť prebytkové teplo z blízkej výroby alebo z elektrární.

Zvětšit obrázek

Základný princíp osmózy a reverznej osmózy. Cez membránu samovoľne prenikajú molekuly vody smerom do koncentrovanejšieho roztoku. Ak naň však pôsobíme dostatočným tlakom, vodu z neho cez membránu doslova vylisujeme opačným smerom, proti osmotickému tlaku.

Modernejší a efektívnejší spôsob predstavuje reverzná osmóza. Ide vlastne o filtráciu cez špeciálne membrány s tak malými otvormi (pórmi), že cez ne prejdú len molekuly vody, ale už nie ióny rozpustených solí. Slaný roztok cez ne teda nepretečie, prepustia v podstate čistú vodu. Tá sa ale bráni, pretože na membráne oddeľujúcej roztok od vody (morskú vodu od vody demineralizovanej) vzniká známy osmotický tlak. Pôsobí úplne opačne a núti molekuly vody samovoľne prechádzať do slaného roztoku a znižovať jeho koncentráciu. Len keď na strane slanej vody umelo tlak kvapaliny zvýšime nad hodnotu prirodzeného osmotického tlaku, môžeme z roztoku čistú vodu doslova cez membránu prepasírovať. Je zrejmé, že tým narastá koncentrácia zvyšnej soľanky a teda stúpa aj osmotický tlak, proti ktorému je nevyhnutné vytvárať stále intenzívnejší protitlak.

Zvětšit obrázek

Najväčšie severoamerické odsoľovacie zariadenie v Tampa Bay na Floride je cieľom častej kritiky. Pracuje na princípe reverznej osmózy, no nedosahuje pôvodne plánovaný výkon a výroba vody je finančne nákladná. (zdroj: waterworld.com)

Ani táto reverzná (spätná) osmóza nie je lacná. Zatiaľ výrazne presahuje náklady na výrobu pitnej vody klasickou úpravou podzemnej sladkej vody čerpanej zo studní. Reverzná osmóza totiž vyžaduje vysoký tlak, ktorý sa podľa koncentrovanosti roztoku pohybuje v rozpätí medzi 7 až 8,3 tisíc kilopascalmi (tlak asi 71 až 86,5 kilogramov na centimeter štvorcový). Ďalšou veľmi nákladnou položkou sú vhodné membrány. Ich základ tvorí fólia z odolného a pevného polysulfónu s mikropórmi, pokrytá veľmi tenkou polyamidovou filtračnou vrstvou. V závislosti od kvality a podmienok použitia vydržia drahé membrány plniť svoje poslanie tri až päť rokov.

Navyše samotnú vodu je nevyhnutné upravovať na oboch stranách membrány. Do základnej suroviny, teda do morskej vody sa pridávajú chemikálie, ktoré zabraňujú upchávaniu jemných pórov s priemerom stotisíciny hrúbky ľudského vlasu. Membrány sa musia pravidelne čistiť, aby sa predišlo tvorbe povlakov minerálneho a biologického pôvodu. Voda sa sterilizuje chlórom, ktorý membrány chemicky narušoval. Nebyť amerického vynálezu polysulfónu by táto metóda nebola komerčne využiteľná.

Zvětšit obrázek

Filtračná jednotka pre reverznú osmózu – nákres a použitie v praxi.

Výskum s cieľom metódu reverznej osmózy zefektívniť má dva smery – jeden mieri k dokonalejším membránam, druhý k inováciám samotného procesu. Napríklad vedci z Yalskej univerzity v americkom štáte Connecticut testujú rozpustné, ale ľahko odstrániteľné látky, ktoré by sa mohli v už prefiltrovanej čistej dočasne zvýšiť koncentráciu. Tým by sa prirodzený osmotický tlak znížil a nebolo by potrebné vyvíjať tak veľký protitlak na druhej strane membrány. Najviac sa zatiaľ osvedčila zmes čpavku a kysličníka uhličitého, ktorá sa vo vode rozpúšťa v podobe uhličitanu amónneho. Ten sa pri vyššej teplote opäť rozloží a obe chemikálie sa z vody uvoľnia. V laboratóriu tento proces prebieha veľmi efektívne, stačí použiť nízke elektrické napätie a zdroj tepla, ktorý vodu ohreje na 50 ^oC. V blízkosti priemyselných centier by o tieto energetické zdroje nemala byť núdza. Predpokladané náklady pri takomto spôsobe zrýchleného osmotického odsoľovania sa odhadujú na 37 až 44 centov za kubík. A to už je veľmi zaujímavá suma.

Druhá cesta inovácií – vývoj nových typov membrán – sa rozvetvuje do viacerých výskumných pracovísk. Napokon ide o perspektívnu oblasť pozitívne vnímanú grantovými komisiami i investormi. To sa podarilo i skupine vedcov pod vedením Yorama Cohena z Kalifornskej univerzity v Los Angeles, ktorým okrem vlastnej alma mater na výskum prispeli i súkromné firmy. Zdá sa, že to nebola premrhaná investícia, lebo tím v časopise Journal of Materials Chemistry predstavil nový a vraj oveľa efektívnejší typ membrány pre reverznú osmózu. Je oproti komerčne používaným membránam pre molekuly vody 1,3 až 2,2 krát priepustnejšia a navyše jej povrch má zlepšené samočistiace schopnosti. Je pokrytý tenkou hydrofilnou, teda vodu absorbujúcou „chlpatou“ vrstvou z krátkych polymérnych vlákien.

Časovo i finančne náročný postup tvorby špeciálneho povrchu si pôvodne vyžadoval vákuovú komoru limitujúcu veľkosť membrány. Aj tento "zádrheľ" sa vedcom podarilo vyriešiť a celý proces urýchlili a zjednodušili. Dnes už vákuum nepotrebujú.

Zvětšit obrázek

Štruktúra novej membrány z Kalifornskej univerzity. Podľa nákresu zo Journal of Material Chemistry.

Syntéza novej membrány prebieha v troch základných krokoch. V prvom sa na polysulfónovú vrstvu nasyntetizuje tenký polyamidový film. Ten sa v druhom kroku aktivuje pomocou ionizovaného plynu (plazmy) pri bežnom atmosférickom tlaku. Na takto upravený povrch sa potom pri teplote 60 ^oC z roztoku monomérnej kyseliny metakrylovej naviažu jej molekuly a vytvoria polymérne reťazce. Tak vzniká „chlpatá“ povrchová vrstva so samočistiacimi vlastnosťami. Krátke vlákna polyméru sa vo filtrovanom roztoku neustále pohybujú a tým obmedzujú baktériám alebo koloidným časticiam možnosť sa na nich zachytiť. Tak chránia membránu pred vznikom ťažko odstrániteľnej vrstvy usadenín a výrazne predlžujú jej životnosť. Laboratórne testy dopadli veľmi nádejne a práve teraz by už mali prebiehať ďalšie už v skúšobnej prevádzke.

Prípadné chemické modifikácie umožňujú vytvoriť na membráne povrchový náboj, ktorý rovnako nabité ióny odpudzuje a v špecifických podmienkach samočistiace vlastnosti ešte zlepšuje. Vedci z Kalifornskej univerzity totiž pred tromi rokmi vyvinuli iný typ membrány, keď do povrchového 50 až 200 nm tenkého polyamidového filmu zatavili nanočastice zeolitu. Tento kremičitanový minerál s jemnými pórmi sa už dávno používa na filtráciu. O zeolit obohatený povrch tak získa záporný náboj. Výrobné postupy oboch typov membrán sa dajú skombinovať a ďalej inovovať.

Zdroje: DEWA , UCLA Newsroom , Journal of Materials Chemistry , Journal of Membrane Science doi:10.1016/j.memsci.2010.02.053, Wikipedia