Česká membránová platforma, z. s. (CZEMP), byla na základě výběrového řízení pořádaného Evropskou membránovou společností, vybrána jako organizátor velmi prestižní mezinárodní konference EuroMembrane 2024. Ta se bude konat v Kongresovém centru Praha ve dnech 8.–12. 9. 2024. Oslovili jsme proto CZEMP a položili jsme zástupcům platformy několik otázek, které by měly čtenáře seznámit jak s konferencí, tak s membránovými technologiemi. Odpovídali:
Ing. Jan Bartoň, CSc.
Absolvoval VŠCHT Praha v oboru organické technologie a doktorandské studium tamtéž ukončil v roce 1980. Poté pracoval jako systémový inženýr ve VÚAnCH Ústí nad Labem do roku 1989. V letech 1989 až 1993 pracoval jako vedoucí laboratoře Crystalex s. p. v Novém Boru. Poté byl přijat jako vedoucí filiálky společnosti Dr. Reuter Microcell GmbH v České Lípě, kde pracoval až do roku 2008. Od roku 2010 do 2014 pracoval na pozici vědeckého ředitele společnosti MemBrain s.r.o. Od roku 2015 do současnosti pracuje pro Českou membránovou společnost, z. s., na pozici projektového manažera.
Ing. Petr Křižánek, Ph.D.
Po ukončení doktorského studia na VŠB–TU Ostrava v roce 2002 pracoval jako zkušební technik v TZÚS s. p. Praha, pobočka Předměřice nad Labem, v oblasti hydroizolací a tepelných izolací. Od roku 2003 do roku 2005 jako technolog ve firmě Keramtech spol. s.r.o., Žacléř, kde měl na starosti technologii výroby keramických filtrů, správu firemní laboratoře, obdobnou funkci měl i ve firmě Saint-Gobain Advanced Ceramics, Turnov, která později fúzovala do firmy CoorTech a kde pracoval jako technolog. Zde byl zodpovědný za výrobu keramických filtrů, technické keramiky, řezných nástrojů, keramické balistické ochrany, keramických destiček a kroužků pro vodovodní ventily a čerpadla. V roce 2012 nastoupil jako procesní technolog do firmy MEGA a. s., kde byl zodpovědný za návrhy technologií pro segment dairy and foods, pharmacie, za pilotní studie na zpracování medií dle přání zákazníků a za zprovozňování elektrodialyzačních zařízení u zákazníků. V roce 2015 přešel do VaV organizace Membrain s. r. o., kde zastával pozici vědeckého ředitele, od roku 2021 se opět věnuje procesům technologie a vývoje iontovýměnných membrán až doposud.
Jak se historicky vyvíjelo poznání principu membrán? Kdy se od – řekněme – základního výzkumu a zájmu začaly používat v praxi? Já se asi poprvé seznámil s pojmem membrána někdy ve škole v souvislosti s buněčnou membránou. Dnes jsou membrány používány v každodenním životě, ale i v průmyslu v oblasti fyziky i chemie.
Ano, biologické membrány stály na začátku vývoje, od nich jsme se začali učit. Tyto plazmatické membrány jsou definované jako tenká vrstvička ohraničující každou buňku v lidském těle. To nejdůležitější, co mají všechny membrány společné, je jejich funkce, tedy schopnost určovat, které látky membránou mohou procházet, v případě buněk které látky můžou dovnitř do buňky a které naopak mohou buňku opustit. Tato definice se dá použít na všechny separační membrány. I tyto biologické membrány jsou citlivé na stejnosměrný proud a jako většina látek vykazují odpor. Tento elektrický odpor záleží na mnoha faktorech, jako jsou teplota, složení membrány a jaké látky chtějí projít skrz membránu. Pokud prochází proud biologickou membránou, dochází vlastně k depolarizaci membrány a zvýšení její permeability (schopnost membrány propouštět roztoky, zjednodušeně propustnost).
Historie tlakových membrán je spojena s uvědoměním si, že nějaké membrány vůbec existují, tedy se začátkem jejich pozorování. Takže první dějství je možné spojit s Robertem Hookem a jeho knihou „Micrographia“ (1663) nebo Nehamiahem Grewem, který v roce 1682 přirovnal buněčnou membránu ke krajce.
Druhým dějstvím lze nazvat popsání osmotického jevu v roce 1748 francouzským fyzikem Jeanem-Antoinem Nolletem, ale více než 100 let se čekalo na potvrzení Wilhelmem Pfefferem (1867). Ten vymyslel metodu k provedení prvního experimentu k měření osmotického tlaku membrán. Tato ranná měření osmózy pak použil J. H. van’t Hoff jako základ pro rozvoj teorie roztoků v roce 1886. V této teorii se předpokládá, že rozpuštěné látky se chovají jako částice plynu, kde je osmotický tlak úměrný molaritě roztoku. Van’t Hoff navrhl mechanismus pro osmózu, kde se předpokládalo, že osmotický tlak vzniká jednostranným bombardováním membrány molekulami rozpuštěné látky. Později opustil mechanismus bombardování a uvedl, že skutečný mechanismus osmózy byl irelevantní, protože osmotický tlak nezávisí na povaze membrány. Podle J. D. Ferryho, který v roce 1934 napsal obsáhlý přehled o ultrafiltračních membránách, byly první navrhované transportní mechanismy většinou založeny na mechanickém prosévání, kdy malé složky roztoku mohou difundovat nebo protékat póry membrány. Nicméně zacházení se semipermeabilními membránami čistě jako s mechanickými síty je hrubé zjednodušení vzhledem k tomu, že mezi roztokem a membránou existují různé typy interakcí, jako coulombické interakce. V osmotické rovnováze se ustaví hydrostatický tlak, který zastaví průchod rozpouštědla membránou. Tento tlak je známý jako osmotický tlak. Když je na stranu s vysokou koncentrací aplikován tlak vyšší než osmotický tlak, transport rozpouštědla se obrátí v procesu známém jako reverzní osmóza (RO). Myšlenku využití reverzní osmózy jako metody k odsolování mořské vody poprvé navrhl C. E. Reid v roce 1953. C. E. Reidovi a E. K. Bretonovi se podařilo objevit acetát celulózy jako membránový materiál, který má semipermeabilní vlastnosti potřebné pro výrobu sladké vody ze slané vody. To bylo provedeno za použití přístupu pokus-omyl, kdy byla zkoumána semipermeabilita 19 různých membrán. Tyto symetrické membrány však měly velmi nízkou permeabilitu pro vodu, což je činilo nevhodnými pro praktické odsolovací aplikace.
Třetí dějství lze spojit s pracemi S. T. Yustera s cílem vyrobit praktickou membránu pro reverzní osmózu. V roce 1960 vyvinuli S. Loeb a S. Sourirajan z Yusterovy laboratoře první postup pro přípravu asymetrických membrán z acetátu celulózy s dostatečně vysokou propustností pro vodu, aby přilákaly průmyslový zájem. Po průlomovém objevu asymetrických membrán z acetátu celulózy zintenzivnil Úřad pro slanou vodu amerického ministerstva vnitra výzkum zaměřený na řešení mezer ve znalostech našeho chápání transportu a selektivity v takových membránách. Kromě toho tento vývoj vedl ke zrodu časopisů souvisejících s membránami, jako jsou The Journal of Applied Polymer Science v roce 1959, Desalination v roce 1965 a později The Journal of Membrane Science 1976.
V té době se začaly objevovat různé typy konstrukcí membránových modulů – trubkové, dutá vlákna, spirálově vinuté, deskové. Později byly zpřesňovány definice přenosu, difuzních a polarizačních efektů a probíhal vývoj polymerních materiálu, což trvalo po celá 70. léta 20. století.
V roce 1995 byly modely přenosu hmoty revidovány Wijmasem a Bakerem. V roce 2005 byla použita pozitronová anihilační spektroskopie životnosti (PALS) pro sondování volné objemové struktury RO membrán. I dnes se stále pracuje díky analytické technice na zlepšování modelu transportu. Biesheuvel, Elimelech a spolupracovníci vyvinuli v období 2008 – 2023 model transportu toku póry založený na silové rovnováze podle druhů roztoku, když procházejí membránami RO. Tento model, známý jako model tření v roztoku (SF), popisuje spojený transport vody a iontů. Tento přístup je výhodnější oproti Darcyho zákonu, který je široce používán pro mechanismus toku póry a popisuje pouze tok vody v membránách RO.
U iontovýměných membrán je historie vývoje poněkud starší, protože k prvním pokusům se používaly biologické membrány. Vývoj procesu založeného na iontoměnné membráně začal v roce 1890 prací Ostwalda, který studoval vlastnosti semipermeabilních membrán, a zjistil, že membrána může být nepropustná pro jakýkoli elektrolyt, pokud je nepropustná pro svůj kation nebo aniont. Pro ilustraci byl postulován takzvaný „membránový potenciál“ na hranici mezi membránou a jejím okolním roztokem jako důsledek rozdílu v koncentracích. V roce 1911 Donnan potvrdil existenci takové hranice a vyvinul matematickou rovnici popisující koncentrační rovnováhu, která vyústila v tzv. „Donnanův vylučovací potenciál“. Nicméně skutečné základní studie související s iontoměničovými membránami byly poprvé zahájeny v roce 1925 a provedli je Michaelis a Fujita s homogenními, slabě kyselými kolodiovými membránami. Ve 30. letech 20. století představil Söllner myšlenku nábojově mozaikové membrány nebo amfoterní membrány, obsahující záporně i kladně nabité iontovýměnné skupiny, a ukázal charakteristické jevy transportu iontů. Kolem roku 1940 vedl zájem o průmyslové aplikace k vývoji syntetické iontovýměnné membrány na bázi fenol-formaldehydové polykondenzace. Současně Meyer a Strauss navrhli proces elektrodialýzy, ve kterém byly aniontoměničové a kationtoměničové membrány uspořádány ve střídavých sériích, aby vytvořily mnoho paralelních prostorů roztoku mezi dvěma elektrodami. Bylo těžké jít do průmyslových důsledků, protože komerční iontoměničové membrány s vynikajícími vlastnostmi, zejména nízkým elektrickým odporem, nebyly v té době stále dostupné. S vývojem stabilní, vysoce selektivní iontoměničové membrány s nízkým elektrickým odporem uspěli v roce 1950 Juda a McRae z Ionics Inc. a Winger et al. v Rohm v roce 1953. Elektrodialýza založená na iontovýměnných membránách se rychle stala průmyslovým procesem pro demineralizaci a koncentraci roztoků elektrolytů. Od té doby byly jak iontoměničové membrány, tak elektrodialýza značně zdokonaleny a široce používány v mnoha oborech. Například v 60. letech 20. století byla první výroba soli z mořské vody realizována společností Asahi Co. s monovalentními ionty permselektivních membrán. V 70. letech 20. století byla poprvé vyvinuta společností Dupont jako Nafion® chemicky stabilní kationtoměničová membrána na bázi sulfonovaného polytetrafluorethylenu, což vedlo k rozsáhlému použití této membrány v průmyslu výroby chloru a louhu a v systému skladování nebo přeměny energie (palivový článek). Vytvoření bipolární membrány v roce 1976 (Chlanda et al.) umožnilo zavést nové aplikace v elektrodialýze. Také díky vývoji nových iontoměničových membrán s lepší selektivitou, nižším elektrickým odporem a zlepšenými tepelnými, chemickými a mechanickými vlastnostmi, získaly tyto membrány v poslední době další aplikace.
Jak se metody zdokonalovaly od mikro po nanomembrány? A jaký bude vývoj, je nějaká hranice?
Hranici nám vymezuje příroda a naše znalosti, my se ji jen snažíme napodobit a dohnat. Teoretické znalosti membránových procesů nám například říkají, jaká je potřebná minimální energie pro přenos solí membránou. Bohužel současné technologické nároky jsou energeticky cca 4x vyšší. Což je dáno jak samotnou membránou, tak i modulem, kde je membrána umístěna, tak i procesem řízení daného membránového procesu. Z hlediska otázky strukturního měřítka je u některých membrán struktura ovlivňována už na atomární úrovni. Jsou dnes známy i laboratorní membrány s řízenou 3D nanostrukturou, která cca 1,5x snižuje energetické nároky v případě tlakových procesů. Co se týká přechodu měřítek od mikro- po nano-, jsme už za hranící nano-, tento vývoj je poměrně dynamický v posledních deseti letech. Dnes už některá pracoviště umí připravit membrány s cíleně řízenou velikost pórů mezi 0,3 – 0,7 nm. Velkou výzvou ale stále zůstává životnost a zanášení membrán, přerušení toku roztoků membránami.
Jaké jsou směry základního výzkumu a jak se přenáší do aplikovaného výzkumu a do praxe?
V současné době vede propojování materiálového inženýrství k implementování anorganických materiálů do polymerních struktur a řízení morfologie vznikajících membrán na atomární úrovni. Paralelně s vývojem membrán a procesů, které je využívají, se vyvíjí i metrologická aktivita pro charakterizaci, diagnostiku a „pitvu“ membrán, která doprovází tento vývoj a snaží se pochopit jeho základy. V posledních dvou desetiletích také vzkvétá vědecká činnost v oblasti modelování materiálových struktur a/nebo jevů transportu hmoty přes membrány. Tyto proudy jsou dnes promíchány a díky požadavkům na stále účinnější separační procesy za výhodných ekonomických podmínek jsou přenášeny rychle do praxe, což lze uvést na příkladech nových firem a start-upů vyrábějících membrány pro palivové články nebo membránovou elektrolýzu vodíku (Ionomr, Cellfion, atd.). Stále důležitý je i směr vývoje, který je označován jako „Fouling and Antifouling“ membrán (zanášení a zabránění zanášení membrán) spolu s návrhy autonomních a energeticky soběstačných procesů.
Konference EuroMembrane má tři hlavní okruhy, které asi korespondují s hlavními možnostmi využití: Nedostatek vody a její opětovné využití a ZLD technologie, Recyklace zdrojů známá jako městská těžba a Úspory energie a nové způsoby skladování energie. Mohli byste tyto tři okruhy krátce popsat?
Sladká voda se stává vzácnou entitou kvůli nadměrnému využívání v současnosti dostupných vodních zdrojů. Koncept ZLD (nulové kapalné odpady) je nejvýraznějším aspektem, který by neměl být přehlížen žádným průmyslovým, domácím, obchodním a zemědělským sektorem, pokud usilujeme o udržitelný rozvoj.
Výzkum v ZLD je omezen na malé průmyslové měřítko z důvodu omezení finančních prostředků, prostoru, nutnosti získat povolení a mnoha dalších faktorů. Tato omezení je třeba překonat, abychom mohli utvářet budoucí spektrum světa a připravit je pro budoucí generace. V oblasti potravinářského průmyslu, energetiky, uhelného a chemického průmyslu, těžby nerostných surovin, recyklace atd. je k dispozici mnoho výzkumných studií. Rovněž výzkum ZLD v tuzemském sektoru je na dobré úrovni.
Je třeba podporovat využívání obnovitelných zdrojů energie. Za užitečné poznatky týkající se přístupů k čištění odpadních vod pro dosažení ZLD v různých sektorech patří aplikace membrán a pokročilé oxidační techniky. Membránová destilace (MD), elektrodialýza (ED), reverzní osmóza (RO) a dopředná osmóza (FO) jsou vynikající technologie pro separaci široké škály a typů kontaminantů a získávání cenných surovin. Integrací výše uvedených technologií do systému ZLD je naším cílem pro kompletní opětovné využití, obnovu a rekultivaci.
Na konferenci budou jistě prezentovány separační membránové procesy využívané v kombinaci procesů loužení a hydrometalurgie, které pomáhají získávat tyto cenné suroviny. Dá se předpokládat, že globální soupeření o zdroje bude v nadcházejícím desetiletí tvrdé a závislost na kritických surovinách může brzy nahradit dnešní závislost na ropě.
Skladování energie je na této konferenci spojováno zejména s membránami pro baterie různých druhů, palivové články, elektrolyzéry, superkapacitátory. Můžete vzít energii a rozdělit vodu na její atomy vodíku a kyslíku pomocí elektrolýzy nebo lépe membránové elektrolýzy. Skladováním vodíku a kyslíku v nádržích můžete později vytvářet energii jejich spalováním, nebo (efektivněji) jejich průchodem palivovým článkem.
Jsme vodohospodářský časopis. Mohl byste se detailněji zmínit o možnostech využití v tomto oboru? Od vodárenství k čistírenství…
Je to poměrně jednoduché – do všech známých vodárenských postupů lze použít membránové procesy. Počínaje úpravou vod na pitné vody z povrchových vod – zbavení nečistot, solí, léčiv, mikroplastů nebo při získávání pitné vody z podzemních vod. Velké možnosti aplikací membránových technologií jsou v čistírnách odpadních vod (ČOV). Uplatňují se zde membránové bioreaktory, technologie na snížení obsahu dusíku v odpadní vodě nebo na získávání fosforu z odpadních vod. Membránové technologie nacházejí uplatnění při výrobě demineralizované vody pro kotle na výrobu páry, pro čištění a recyklaci odluhů z chladících věží. Membránové technologie nalézají uplatnění i ve vodíkovém hospodářství. Výroba vodíku z vody potřebuje kvalitní deionizovanou vodu. Vyčištěné odpadní vody z ČOV mohou nalézt uplatnění v závlahovém systému na polích, sklenících apod.
Jak si vede Česká republika v porovnání se světem ve výzkumu, ve využití, kde bychom mohli více „přidat“? Koho považujete za špičku ve světě, Evropě, u nás?
Obecně platí, že i membránové obory v Česku trpí nedostatkem technicky vzdělaných odborníků. Na vysokých školách je možné se s membránovými postupy seznámit v rámci technologií procesů separace. Velmi kvalitní je příprava membránových specialistů na VŠCHT Praha, Univerzitě Pardubice, Technické univerzitě v Liberci, VUT Brno nebo UTB Zlín. Mezi významné firmy aplikující zejména elektromembránové technologie nejen u nás, ale i ve světovém měřítku, patří skupina firem MEGA Group. Nedávno oslavila 30 let svého působení v Česku a může se pochlubit realizacemi nejen u nás, ale i ve světě. Tato skupina nepodceňuje ani výzkum a v jejím rámci existuje Membránové inovační centrum – MemBrain s. r. o., které bylo postaveno s podporou státu. Zaměstnává několik desítek vědecko-výzkumných pracovníků a ti se zabývají nejen elektrochemickými membránovými procesy, ale i jinými membránovými technologiemi na základě smluvního výzkumu. Práce výzkumníků jsou publikovány ve sbornících konferencí i v odborných impaktovaných časopisech.
Špičkový výzkum se dnes v oboru membránových technologií realizuje zejména v Asii, zejména v Číně, Japonsku a Jižní Koreji. Na významu nabývá už i Indie. I tradiční vyspělé země Evropy věnují membránovým technologiím velkou pozornost. Špičkový výzkum se realizuje rovněž v USA.
Jak k oboru přistupuje stát?
Membránové technologie se uplatňují v řadě technologií, například již ve zmíněném vodárenství, velmi dobře. Naše Česká membránová platforma, z. s., je při své činnosti, zahrnující právě propojování výzkumu a vývoje s podnikatelskou sférou, podporována z programu OP TAK – Technologické platformy. To je velmi prospěšné, protože bez této podpory bychom nemohli realizovat řadu našich aktivit, zejména semináře a workshopy propagující membránové technologie, které jsou zaměřeny zejména na nastupující generaci membránových specialistů na vysokých školách. V rámci programu OP TAK jsme vytvořili i expertní tým složený z významných vědeckovýzkumných pracovníků v oboru membrán a připravujeme Akční plán, zaměřený na podporu využívání membránových technologií v praxi. Významnou aktivitou naší platformy je pak i podpora akademické sféry při podávání žádostí do celoevropského programu Horizont Evropa.
Co si od konference slibujete, jakou očekáváte účast z jednotlivých regionů světa a z ČR?
EuroMembrane 2024 bude zcela jistě velmi zajímavým setkáním expertů membránových technologiích z celého světa. Plenární přednášky přednesou špičkoví membránoví specialisté, jakým jsou například prof. Wanqin Jin z Číny, prof. Jason E. Bara z USA nebo prof. Bart van der Bruggen z Belgie. Očekáváme účast kolem jednoho tisíce membránových specialistů. Cílíme na všechny regiony, samozřejmě nejvíce účastníků zřejmě bude z Evropy, početnou delegaci očekáváme z Jižní Koreje, Číny i z dalších regionů. I pro naše české specialisty se konference stane příležitostí seznámit se osobně se špičkovými světovými specialisty v oboru, a proto očekáváme i vysokou účast membránových specialistů z Česka.
Ing. Václav Stránský
