Koncentrace těžkých kovů ve vodním prostředí se může zvyšovat, protože přibývá jejich antropogenních zdrojů. Nalézáme je v odpadních vodách z těžby a zpracování rud nebo povrchových úprav, z textilního průmyslu, zemědělství, v emisích ze spalování fosilních paliv, z výfukových plynů nebo v průsacích ze skládek. Jejich zdrojem jsou i nelegální skládky, zejména když obsahují elektroodpady nebo světelné zdroje, hlavně například rtuťové výbojky. Význačným zdrojem olova ve vodě jsou staré vodovodní rozvody vedené v olověných trubkách. S modernizací jich však naštěstí rychle ubývá.
Zdravotních důsledků příliš vysokých koncentrací těžkých kovů ve vodách vyjmenovali vědci celou řadu. Nejde o akutní otravu, ale o dlouhodobé působení. Pravidelné přijímání malých dávek těžkých kovů se po určitém čase projeví negativně, a to od podráždění kůže až po poškození orgánů. Je to důsledkem jejich schopnosti akumulace. Ve vodním prostředí se těžké kovy ukládají v sedimentech. Mechanismem bioakumulace se však ukládají i v tělech vodních organismů, odkud se dostávají dále do potravinového řetězce.
Odstranění těžkých kovů z vody naštěstí není příliš obtížné. Lze využít relativně jednoduché metody, jako je koagulace, adsorpce na aktivním uhlí, reverzní osmóza nebo úprava vody speciálními iontoměniči.
Jednou z moderních metod odstraňování těžkých kovů z vody je nanofiltrace (NF). Tato metoda využívá polopropustné membrány o velikosti pórů 1-10 nm, které umožňují selektivní odstranění iontů těžkých kovů z vody. Nanofiltrační membrána působí jako bariéra v separačním napájecím roztoku. Velikost pórů membrány rozhoduje o tom, které látky projdou a které ne. Jelikož ionty těžkých kovů jsou relativně velké, jejich separace je tím lepší, čím menší je velikost pórů membrány.
Mechanické a separační vlastnosti membrán lze zlepšit tím, že se na ni aplikují plniva s velikostí částic mezi 1 a 100 nm, proto se často označují jako nanoplniva. Mohou být vyrobena z materiálů na bázi uhlíku, jako je oxid grafenu nebo uhlíkové nanotrubičky. Používají se i anorganická plniva na bázi oxidů kovů, polymerní nanovlákna či plniva na bázi jílu (např. kaolinit). Membrány s nanočásticemi jsou podle řady studií slibným řešením pro odstraňování olova, mědi, chrómu nebo zinku z vody.
Nanofiltrační membrány s nanoplnivy lze vyrábět několika postupy. Jedním z nich je polymerizace in situ, kdy jsou nanoplniva do membránové matrice zavedena polymerací s monomery, takže vzniká nanokompozit. Membránu a nanoplnivo lze také vrstvit, takže vzniká vícevrstvý nanokompozit. Další možností je, že se nanoplniva smíchají s polymerní směsí, rozpouštědly nebo přísadami, a odlitím pak vznikne nanokompozitní membrána. Na nanofiltrační membránu se také může nanést nanoplnivo jako povlaková tenká vrstva. Všechny tyto postupy jsou v současnosti předmětem řady výzkumných studií.
Membránové separační systémy poháněné tlakem mají jeden hlavní problém, a to je jejich zanášení, které zkracuje jejich životnost a snižuje průtok. Může jít o různé typy znečištění: krystalické (minerální sraženiny), koloidní (jíl), organické (huminové látky, oleje a polyelektrolyty) nebo biologické (bakterie a houby).
| Mezi těžké kovy patří například chrom, kobalt, zinek, selen, kadmium, měď, stříbro, olovo, nikl, rtuť. Jde vesměs o kovy s hustotou vyšší než 5g//cm3, což je víc než u železa (odtud jejich označení „těžké“ kovy). Dnes se toto označení používá spíše pro toxické kovy bez ohledu na jejich hustotu. Maximální dovolené hmotnostní koncentrace těžkých kovů v pitné vodě se pohybují v řádech mikrogramů na litr (μg/l). U mědi je maximální povolená koncentrace 1 mg/l. |
Pokud je velikost znečišťující látky menší než velikost pórů (např. rozpuštěné látky) nebo se rovná průměru pórů membrány (koloidy), může dojít až k ucpání membrány. Pokud jsou póry výrazně větší než otvory v membráně, má znečišťující látka tendenci vytvářet na povrchu membrány vrstvu koláče.
Hybridní membrány se zavedenými nanoplnivy se zdají být mnohem odolnější vůči efektu zanášení, takže mají lepší propustnost. Pokračuje však výzkum, jak je jejich účinnost ovlivněna provozními podmínkami, jako pH, teplota, koncentrace a tlak. Stejně tak se stále hledají pro membrány ekologičtější a levnější nanočástice.*
Jarmila Šťastná
