Vyvíjíme šokovou elektrodialýzu pro průmysl a energetiku
Elektrárny a další průmysl potřebují ultračistou vodu, získávat by se mohla šokovou elektrodialýzou. Tato membránová metoda funguje velmi účinně, ale zatím produkuje zanedbatelné množství vody. Fakulta mechatroniky a CxI vyvíjejí zařízení, které svou kapacitou obstojí v průmyslovém provozu.
Zadání vytvořit poloprovozní zařízení pro šokovou elektrodialýzu dostali studenti Jaromíra Marka na ústavu nových technologií a aplikované informatiky Fakulty mechatroniky, informatiky a mezioborových studií TUL. Podařilo se jim experimentálně dosáhnout výsledků, které na nedávné mezinárodní konferenci MELPRO 2018, jež se zaměřuje na membránové technologie, ocenil mimo jiných také V. I. Nikoněnko, v současnosti největší světová kapacita v oblasti membrán.
Šoková elektrodialýza je metodou poměrně mladou, teoretické základy jí dal právě profesor Nikoněnko kolem roku 2008. Zhruba před čtyřmi lety je experimentálně ověřila skupina profesora Bažanta na slavném technologickém institutu M.I.T. v Cambridgi ve Spojených státech. V té době tam byl na stáži také doktor Jaromír Marek, který téma přivedl na libereckou univerzitu.
Zařízení z M.I.T., které dále testují také na univerzitě v ruském Krasnodaru, kde profesor Nikoněnko působí, vyprodukuje pouze jednotky mililitrů odsolené vody za hodinu. Náš studentský tým je již o několik řádů dál. Jeho cílem je dokončit zařízení, které vyprodukuje desítky až stovky litrů za hodinu a to už by stačilo k průmyslovému využití.
„Průmysl a energetika nemůže užívat klasickou pitnou vodu, protože ta pro jeho účely obsahuje stále ještě příliš vysokou koncentraci solí a dalších rozpuštěných i nerozpuštěných látek včetně plynů. Šokovou elektrodialýzou dostaneme naprosto čistou vodu, tzv. teoretickou H2O, která je pro průmyslové užití nezbytná,“ říká doktor Marek a dodává: „Podle pravidelné evropské studie ESTAT připadá na elektrárny a průmysl 55 až 74 % celkové spotřeby vody. Pro srovnání pitné vody Evropané vypijí a spotřebují průměrně kolem 21 % z celkově spotřebovaného objemu. Zbytek tvoří voda pro zalévání v zemědělství.“
Vlevo malá jednotka ionexových membrán, se kterou pracují i na M.I.T., vpravo jednotka vyvíjená na TUL.
Jaromír Marek (vpravo) a Jakub Kosina
Profesor Nikoněnko s našimi studenty Čížkem a Kosinou
Celé zařízení pro šokovou elektrodialýzu
Jakub Kosina spouští unikátní zařízení pro desalinaci vody
Při elektrodialýze je elektrickým proudem zrychlen a usměrněn tok iontů v roztoku a následně separován membránami. Zásadní v celém procesu průchodu iontů přes membrány při šokové elektrodialýze je tzv. koncentrační polarizace. Za každou membránou se tvoří tenká hranice, ve které nejsou téměř žádné ionty. Našim mladým vědcům, čerstvým bakalářům Janu Čížkovi a Jakubovi Kosinovi, se daří použitím speciálních, ionexových, membrán a vhodných porézních materiálů tuto hranici rozšířit z nanometrů na milimetrovou oblast, ze které je už možno čistou vodu bez iontů odebírat.
„Ve finálním zařízení se za sebe řadí desítky těchto ionexových membrán. Tím bude možno produkovat jednotky až stovky kubíků ultračisté vody za hodinu,“ říká vedoucí studentského týmu Jaromír Marek a dodává: „Membránové zařízení, které nezabere více prostoru než kuchyňská linka, by dokázalo čistou vodou obsloužit jakoukoli elektrárnu nebo teplárnu včetně té liberecké.“
Dnes hojně používanou, ovšem zastaralou metodou desalinace jsou například ionexová lože, která můžeme vidět v naprosté většině českých elektráren a tepláren včetně té liberecké. Právě tato zařízení zabírají většinu plochy celé teplárny. Lože je nutno denně regenerovat agresivními chemikáliemi a to představuje značnou ekologickou a pro danou výrobnu i značnou ekonomickou zátěž. Dále se v průmyslu k odsolování využívá i elektrolýza, odparky nebo se voda neodsoluje, což radikálně zkracuje životnost celého průmyslového zařízení.
Šoková elektrodialýza je nenáročná na provoz a údržbu, energeticky úspornější a k životnímu prostředí šetrnější než dosud používané průmyslové metody. Navíc je velmi účinná a umožňuje úplné odsolení vody v jednom kroku, a to nezávisle na její vstupní koncentraci. Na rozdíl od klasické elektrodialýzy také využívá pouze jediný typ membrány.
Desalinace vody není jedinou oblastí, kde najdou ionexové membrány uplatnění. Naši vědci dosáhli vynikajících výsledků také při převodu vlhkosti v procesu rekuperace dnes už běžně užívané při zásobování průmyslových budov a pasivních domů proudem čerstvého vzduchu předehřátého (ochlazeného) na vnitřní teplotu. Také tyto výsledky prezentovali letos v polovině května v Praze na mezinárodní konferenci MELPRO 2018. Na T-UNI se tomuto tématu budeme věnovat příště.
Radek Pirkl
