Membránové destilační zařízení s grafenovou membránou Graph Air může produkovat čistou a potenciálně ultračistou laboratorní vodu v jediném kroku za výrazně nižší náklady ve srovnání s dosavadními metodami.
Grafen, jedinečná forma uhlíku, která má tloušťku jednoho atomu (je tedy tak tenký, že je v podstatě považován za dvourozměrný), nachází uplatnění v mnoha oblastech. S jeho uplatněním napříč obory vás seznamujeme i na stánkách Technického týdeníku a ani téma čištění vody nebude výjimkou. Tým vědců z Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO) v Austrálii totiž objevil v grafenu významný příslib také pro aplikace filtrace vody a vyvinul extrémně účinný systém čištění vody, který se zdá být jednodušší a rychlejší než běžné filtrační systémy. Na rozdíl od běžných vodních filtrů dokáže Graph Air odfiltrovat extrémně toxické chemické sloučeniny a zároveň propustit čistou vodu s neutrálním pH. Má úzké kanálky, kterými mohou procházet menší molekuly vody, ale větší rozpuštěné molekuly a solvatované ionty jsou blokovány. To vše při vysokých koncentracích kyselin nebo zásad, které rychle ničí ostatní filtrační membrány. Graph Air tak vykazuje odolnost vůči biologickému znečištění, které sužuje současné technologie, a zároveň poskytuje vyšší tok než polymerové membrány ve stejné aplikaci. Jednokrokový systém obsahuje unikátní formu grafenu, zdroj tepla, membránový filtr a vodní čerpadlo.
Bezúdržbová filtrace
Australský výzkumný tým navíc zjistil, že jejich systém je schopen vyřešit také velký problém většiny konvenčních systémů, a tím je znečištění samotné filtrace. V průběhu času bývá systém vodní filtrace zanášen různými typy znečišťujících látek, které snižují účinnost. Tyto znečišťující látky proto musejí být pravidelně odstraňovány, aby mohl filtrační systém opět správně fungovat. Systém Graph Air by však měl být schopen fungovat bez zanášení. Membránová destilace (MD) vhodná pro filtraci mořské vody a průmyslového odpadu zahrnuje čištění vody pomocí gradientu tlaku par, ke kterému dochází přes hydrofobní membránu. MD systém je založen na paralelních tocích „horké“ vstupní strany a „studené“ permeátové strany, přičemž na vstupní straně se tvoří vodní pára. K filtraci dochází, když je vyčištěná vodní pára transportována na studenou permeátovou stranu. Jednou z největších výhod MD je schopnost získat vyčištěnou vodu bez ohledu na slanost zdrojového roztoku. Systém je také schopen odfiltrovat většinu netěkavých nečistot včetně soli, organických sloučenin a koloidů. Systém Graph Air je MD systém, který využívá nanokanály grafenu umožňující průchod vody, nikoliv však velkých nežádoucích molekul. Tým CSIRO použil Graph Air jako součást aktivní vrstvy v systému MD a zjistil, že produkuje žádoucí vysoké úrovně toku vodní páry. Kromě značné trvanlivosti a odolnosti proti znečištění má také vynikající schopnost nepropouštět sůl. Během standardního MD procesu se fi ltrační membrána normálně pokryje kontaminanty. Vědci CISRO zjistili, že když jejich systém fi ltroval znečištěnou vodu z přístavu v Sydney, byl dvakrát účinnější než běžný vodní fi ltr a v průběhu testovacího provozu se nesnižovala jeho účinnost vlivem zanášení fi ltrovanými částicemi. Tým také zjistil, že fi ltr Graph Air odstranil více kontaminantů a odstranil 99 % nečistot rychleji než standardní fi ltry. Ačkoliv byl pokryt nečistotami, nadále fungoval normálně. To v podstatě eliminuje potřebu pravidelného čištění samotného membránového fi ltru. Ve svých testech na nezpracované mořské vodě ze Sydney Harbour tým použil také kontrolní fi ltr s komerčně dostupnou MD membránou. Ta se však při zpracování přístavní vody zanášela, což vedlo ke snižování průtoku i mírnému poklesu účinnosti odstraňování soli. Naproti tomu membrána Graph Air vykazovala 100% efektivní výkon s ohledem na odstraňování solí, to vše při zachování vysokého toku par a dlouhodobé stability v průběhu 72 hodin. Membrána na bázi grafenu byla schopna vydat přibližně 0,4 až 0,5 l mořské vody za den bez jakéhokoli zhoršení výkonu. eFeKtivní výroba graPH air Vysoce sofi stikovaný vývoj v oblasti zpracování grafenu umožnil vytvoření grafenu, který je vhodný pro fi ltraci vody. Tyto špičkové procesy však zahrnují řadu složitých a na zdroje náročných kroků, které je těžké implementovat ve velkém měřítku. Tým Graph Air ale dokázal vyvinout svou jedinečnou formu grafenu pomocí „procesu nanášení par z okolního vzduchu“, který je mnohem jednodušší, nákladově efektivnější, rychlejší a šetrnější k životnímu prostředí než dosavadní sofi stikované procesy výroby grafenů používané pro fi ltraci vody. Tento proces totiž nevyžaduje nákladné těkavé plyny, které jsou nezbytné pro jiné metody výroby grafenu. Australští vědci také použili k výrobě svého grafenu bezpečnou, levnou a obnovitelnou surovinu: sójový olej. Výzkumníci CSIRO dále zjistili, že jejich výrobní proces umožňuje kontinuální růst grafenových fi lmů s vysoce žádoucími vlastnostmi propustnými pro páry, které jsou užitečné právě pro fi ltraci vody.
Další možnosti grafrenových filtrů
V novější studii výzkumníci z ruské Národní vědecké a technologické univerzity MISiS [známé též pod zkratkou NUST — National University od Science and Technolo ; zkratka ruského názvu puvodne vycházela z Московский институт стали им. И. В. Сталина (Moskevský institut oceli J. V. Stalina), pozdeji byla zmenena na Московский институт стали и сплавов (Moskevský institut oceli a slitin) — pozn. red.] odhalili, jak grafen a jeho oxidy použít k čištění vody do té míry, že není potřeba chlorace. Studijní tým uvedl, že jimi injektovaný grafen byl schopen „zachytit“ toxické bakterie tím, že kolem sebe vytvořil vločky. Ty lze následně odstranit a získat tak pitnou vodu. Grafenový fi ltr je i s touto úpravou možné používat po odstranění vloček opakovaně. Do živného roztoku vědci přidávali v různých koncentracích oxid grafenu (0,0025 g/l, 0,025 g/l, 0,25 g/l a 2,5 g/l) a i při jeho minimální koncentraci ve fyziologickém roztoku (vodě) pozorovali antibakteriální účinek výrazně vyšší než v živném médiu (lidském těle). Vědci se domnívají, že to neznamená mechanickou, ale biochemickou povahu mechanismu účinku, to znamená, že vzhledem k tomu, že v solném roztoku je mnohem méně živin, bakterie se pohybovaly aktivněji a byly „zachyceny“ šupinami oxidu grafenu častěji. Podle laserové konfokální mikroskopie, rastrovací elektronové mikroskopie a fl uorescenčního testování byl roztok oxidu grafenu o koncentraci 2,5 g/l např. několikrát účinnější při odstraňování E. coli ve srovnání s kontrolními, konvenčně používanými systémy. Výzkumníci zatím nebyli schopni přesně identifi kovat, jakým způsobem byly bakterie neutralizovány, nicméně uvedli, že oxid grafenu pravděpodobně spouští vývoj volných radikálů, které jsou pro bakterie toxické. Výzkumníci dále uvedli, že jejich nízkonákladový a snadno škálovatelný systém oxidu grafenu by byl vhodný pro použití ve velkých zařízeních na čištění odpadních vod bez potřeby chlorace. /PK/