Výzkum sanačních technologií v Liberci

Vývoj nových technologií pro zlepšení stavu životního prostředí, studium vlivu skládek průmyslových odpadů na kontaminaci podzemních vod a konečně i bezpečné ukládání vyhořelého radioaktivního paliva si klade za cíl pětiletý projekt Výzkumné centrum Pokročilé sanační technologie a procesy (ARTEC ). Jeho realizaci zahájila Technická univerzita v L iberci (TUL) v roce 2005 v rámci Národního programu výzkumu Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy. Centrum pracuje ve čtyřech sekcích: Horninové prostředí, Speciální technologie, Modelování a I nformatika. Roční rozpočet projektu ARTEC činí 34 milionu korun. Liberecká univerzita získala státní dotaci ve výši 29 milionů korun na každý rok řešení. Zhruba 3,5 milionu korun si opatřuje sama z neveřejných zdrojů. Koordinací výzkumných aktivit projektu je pověřena Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Technické univerzity v Liberci. Zakládajícími členy jsou kromě liberecké univerzity také akciová společnost Aquatest a Česká geologická služba. Dalšími příjemci dotace jsou Univerzita J. E. Purkyně v Ústí nad Labem, Výzkumný ústav anorganické chemie a Ústav informatiky Akademie věd ČR, v.v.i. Velkou výhodou při plánování úkolů je propojení výzkumné činnosti uvedených institucí. Dosavadní činnost lze podle vedoucího centra ARTEC Jiřího Maryšky hodnotit kladně, zejména při uplatnění výsledků výzkumu, kde je významným partnerem Správa úložišť radioaktivních odpadů (SÚRAO). Úspěšně byl například ukončen úkol studia procesů tzv. blízkého pole hlubinného úložiště vyhořelého jaderného paliva, jehož koordinátorem byl Ústav jaderného výzkumu Řež. Technická univerzita v Liberci má významné postavení při vývoji a aplikaci nástrojů pro numerické simulace, tj. dlouhodobých prognóz chování látek pomocí specializovaného softwaru na počítači. Je nutné odhadnout termohydromechanické a chemické procesy, které se vzájemně ovlivňují. Uložený materiál bude vydávat teplo. Proto se musí studovat podmínky, za nichž teplota nepřesáhne mez, která by mohla vést k poškození materiálu a snížení jeho izolační schopnosti. Kontejner s nebezpečným odpadem se obloží cihlami z vylisovaného speciálního jílu – bentonitu, který je vhodný především díky své bobtnací schopnosti při hydrataci a díky sorpční schopnosti pro radionuklidy. Zkušenosti z této spolupráce využilo centrum ARTEC i na mezinárodní úrovni v rámci běžícího projektu „Task Force EBS“. Ten se zaměřuje na vzájemné porovnání výsledků počítačových simulací a laboratorních experimentů a na vzájemné ovlivnění hydratace a bobtnání bentonitu i šíření tepla. Počítačové simulace Výzkum a vývoj softwarových nástrojů je jedním z hlavních cílů Výzkumného centra ARTEC. Do modelů jsou postupně integrovány moduly pro simulaci vlivů fyzikálních a chemických procesů, duální porozity a je studován jejich význam na zpomalení migrace kontaminantů v horninovém prostředí, tzv. vzdálených polí. V počítačových simulacích se například zkoumá transport látek přes tyto bariéry až k bodu, kde mohou způsobit znečištění okolí. Ve spolupráci s koordinátorem projektu ČGS a dále ÚJV a Geotechnikou byly studovány procesy a význam jednotlivých geologických formací pro stabilitu prostředí, bezpečnost horninového prostředí pro únik radionuklidů do biosféry. Vzhledem k tomu, že poločas rozpadu studovaných látek jsou desetitisíce až statisíce let, jedná se o hodně vzdálenou budoucnost. U nás se plánuje vybudování úložiště někdy po roce 2050. Na výzkum tedy zbývá ještě relativně dost času - 30 let. Také díky kladným výsledkům v centru ARTEC může Technická univerzita v Liberci zahájit účast i v další etapě podobně zaměřeného projektu DECOVALEX, který má již tradici. V rámci tohoto projektu studují vědci například úlohu jak mechanické namáhání hostitelské horniny (granit) ovlivňuje její hydraulickou vodivost coby hlavního parametru určujícího rychlost proudění vody v puklinách a tedy i transport radionuklidů v případě jejich úniku z inženýrských bariér. Nanomateriály v sanačních technologiích Za velký úspěch výzkumného centra ARTEC lze považovat také pilotní aplikace jednotlivých sanačních materiálů na vybraných lokalitách. Studium je z velké části zaměřeno na použití nanomateriálů. Hlavní roli zde hraje firma Aquatest. Pro sanaci podzemních vod se jako účinný jeví postup, při němž se do podzemí zasákne látka schopná vyvolat reakci, při které se kontaminant mění na méně toxickou látku, nebo se v podzemí stabilizuje tak, aby kontaminace dále nemigrovala. To jsou metody založené na oxidačně redukčních procesech. Jako vhodná účinná látka se již osvědčilo elementární nanoželezo. Těžiště experimentální práce spočívá v použití této látky na chlorované uhlovodíky, jako jsou běžná rozpouštědla TCE a PCE či polychlorované bifenyly PCB, kladné výsledky však byly dosaženy i pro těžké kovy. Podstata reakce, při které se mění vlastnosti toxických látek, je založena na schopnosti nanočástic železa působit na některé látky a měnit jejich oxidační stav. Například redukovat mocenství chrómu v toxických látkách ze šesti na tři. Trojvalentní chrom je méně rozpustný, tím i méně pohyblivý a toxický; vysráží se a kontaminovaná voda se vyčistí. Vědci českých vysokých škol dělají také experimenty na reakci nanoželeza s dalšími kontaminanty jako je arzen, který se do přírody dostal z nedostatečně zabezpečených koželužen či při těžbě nerostů. Ukazuje se, že po reakci s nanoželezem se snižuje jeho rozpustnost vazbou na vznikající oxidy železa. Nadějně vypadají také experimenty reakcí nanočástic železa s šestimocným uranem, který nadlimitně vytéká z některých uranových dolů a musí se zatím čistit podstatně nákladnější technologií. Uran se po reakci s nanoželezem vysráží jako méně toxický čtyřmocný prvek. Nanočástice železa mají tendenci reagovat už se samotným kyslíkem ve vodě. Těmito reakcemi se snižuje kyselost vody, což by mohlo pomoci například u důlních vod s nízkým pH. V této části výzkumu hraje významnou roli Univerzita Palackého v Olomouci, která kromě výzkumu zajišťuje poloprovoz na výrobu nanočástic železa v rámci společného projektu Akademie věd ČR. Použití nanomateriálů v sanačních technologiích je také tématem dvou mezinárodních projektů 7. ramcového programu Evropské unie, kterých se ARTEC účastní. Simulace reálných sanačních zásahů Dalším z problémů řešených Technickou univerzitou v Liberci v rámci Výzkumného centra ARTEC je vývoj softwarových nástrojů pro simulaci reálných sanačních zásahů. Pro simulaci sanací je třeba zvládnout zejména metody modelování transportu kontaminantů a sanačních činidel složitým geologickým porézním prostředím s puklinami a metody modelování vzájemných chemických a geochemických interakcí kontaminantů, činidel a horninového prostředí. V těchto souvislostech je nejsložitější úlohou zajistit dostatečné rychlosti výpočtu rozsáhlých reálných úloh při zachování očekávané přesnosti. Vývoj simulačních softwarových nástrojů se ve výzkumném centru ARTEC konkrétně zaměřuje na modelování transportu železných nanočástic používaných jako činidlo pro sanaci chlorovaných uhlovodíků, transportu koloidních částic vznikajících v průběhu imobilizace in situ a geochemických interakcí. Pro použití ve státním podniku DIAMO v odštěpném závodě Těžba a úprava uranu vyvíjí výzkumné centrum ARTEC software ke snížení složitosti simulace chemických reakcí a metody interpretace karotážních měření obsahu rozpuštěných látek v podzemí. Právě tato metodika může významně snížit výpočetní čas potřebný ke stanovení scénáře i pro velmi rozsáhlou oblast jakou je Strážský blok při zachování dostatečné přesnosti. Průmyslové aplikace Současnou velkou výhodou ARTECU je trvalá snaha o prohlubování jeho spojení s praxí. V Radě centra jsou zastoupeny subjekty, které přímo odebírají výsledky - SURAO, státní podnik Diamo, Aquatest. Mezi nejvýznamnější aktivity centra patří proto také budování laboratoří s napojením na konkrétní průmyslové podniky. V rámci projektu vznikne například v areálu Technické univerzity v Liberci biotechnologická laboratoř zaměřená na funkcionalizace povrchu nanomateriálů a testování jejich aplikací. V rámci smlouvy o spolupráci nainstalovala společností LentiKat‘s. v laboratoři liberecké univerzity bioreaktor potřebný pro vývoji biotechnologií v oblasti čištění odpadních vod. Připravuje se také projekt na zřízení společné laboratoře v liberecké spalovně Termizo, která patří mezi technologicky nejvyspělejší spalovny v Evropě. Zde se budou na plynech procházejících spalovnou zkoumat sorpční schopnosti a tepelná stabilita filtrů založených na nanovlákenných materiálech. „Od spolupráce očekáváme také nová řešení na čištění spalin a přípravu poloprovozní jednotky pro výrobu řas s využitím odpadního CO2. V současné době sháníme finanční prostředky na stavební úpravy v prostorách spalovny, v nichž má být laboratoř zřízena. Máme podanou žádost o finanční prostředky na úřadu Libereckého kraje a věříme, že zastupitelé odsouhlasí tuto dotaci, vždyť nové filtrační materiály mohou v budoucnu významně ovlivnit čistotu ovzduší nejen v Liberci,“ uvedl vedoucí centra ARTEC Jiří Maryška. Dodal, že pracovníci centra si také hodně slibují od rozvíjející se spolupráce s firmou MEGA, která patří mezi přední světové výrobce membránových technologií. Tato spolupráce by kromě výzkumné činnosti měla podle Maryšky zahrnovat i přípravu nových technologických zaměření studijního oboru Přírodovědné inženýrství. Technika měření V rámci ARTECU byla na TUL nově vytvořena skupina zaměřená na vývoj technických prostředků pro měření přírodních a technických systémů a procesů s možností bezobslužného přenosu měřených dat. Výzkumná činnost této sekce se zaměří na výzkum a vývoj speciálních měřicích přístrojů a zařízení pro odběr vzorků, které jsou na trhu velmi obtížně dostupné a navíc velmi drahé. Tímto krokem dostanou příležitost zapojit se do výzkumné činnosti i další odborníci z oblasti elektroniky, měřicí techniky a komunikačních technologií, jejichž výsledky mohou významně ovlivnit další aktivity centra. Záměrem je ve spolupráci se SURAO umístit v bedřichovském přivaděči přístroje určené pro dlouhodobý monitoring geologických a hydrogeologických procesů. Podstatným cílem centra při tom je výchova mladých odborníků. Řešitelé mladší 35 let jsou zapojeni v kapacitě centra ARTEC z 57 %. Od roku 2005 bylo na výzkumných tématech úspěšně také ukončeno 6 habilitací a obhájeno 12 disertačních prací. Do vědecké práce jsou zapojováni ve velké míře i posluchači, kteří si mohou vybrat i v nabídce témat pro studentské projekty, bakalářské a diplomové práce. Výzkumné centrum Pokročilé sanační technologie a procesy má smlouvu s poskytovatelem – MŠMT - do roku 2009 a nyní připravuje jednání o prodloužení smlouvy až do roku 2011. „Velmi bychom prodloužení činnosti uvítali. Více času na vlastní výzkum a na budování potřebné infrastruktury by umožnilo skupinám ARTEC prokázat uplatnitelnost nových výsledků ve společnosti a tím splnit záměry programu aplikovaných výzkumných center,“ shrnul předseda Rady centra Zdeněk Kůs. Jaroslava Kočárková