Unikátní patentovaná technologie na čistění vody

Zbavit vodu škodlivých látek není v průmyslovém měřítku snadná, natož levná záležitost. Jedná se totiž o velmi subtilní poslední krok v celém procesu čištění vody a současné čistírny odpadních vod (ČOV) – zejména ty malé – si s takovýmto druhem znečištění nedokáží efektivně poradit. Dopady lidské činnosti na povrchové vody a vodní organismy v nich žijící tak každoročně narůstají nejen s množstvím produkovaného odpadu, ale, což je ještě znepokojivější, s naší schopností efektivně odhalovat i malá množství škodlivin a jejich zásadní dopady na náš ekosystém. Zejména pokud se jedná o látky působící již v minimálním množství, jako jsou hormony, či toxické látky.

Prvotní nápad na novou technologii úpravy vody plazmatem vznikl v roce 2018. O tom, že elektrické výboje lze snadno budit v plynném prostředí, se může lehce přesvědčit každý, např. při výboji statické elektřiny. Efektivní přenos získaných reaktivních částic z plynu do kapaliny však není snadný proces. Vědci tak přemýšleli nad efektivní generací plynného prostředí v kapalině, ve kterém by bylo možné výboj snadno zapálit a zároveň využít pro efektivní přenos generovaných reaktivních částic do okolní kapaliny.

Hydrodynamická kavitace v rychle proudící kapalině byla slibným východiskem, klíčovou otázku však představovalo nalezení způsobu generace plazmatu v tomto prostředí. Řešení vědci nalezli a v roce 2019 následně podali patentovou přihlášku. Od roku 2020 je tak technologie plazmové úpravy vody (pojmenovaná jako CaviPlasma) chráněná národním patentem, v roce 2023 byl pak udělen i první z podaných mezinárodních patentů, a to v Izraeli.

Technologie CaviPlasma

CaviPlasma vznikla jako přirozený, avšak nikoliv samozřejmý, důsledek úspěšné meziuniverzitní spolupráce zahájené při vývoji patentované a ověřené technologie na čištění odpadních vzdušnin. Dřívější úspěšná spolupráce tak svedla dohromady týmy vědců z Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity (skupina Aplikované plazmochemie), Fakulty strojního inženýrství Vysokého učení technického v Brně (skupina doc. Ing. Pavla Rudolfa, Ph.D.), k nimž se připojila skupina prof. Ing. Blahoslava Maršálka, CSc. z Biologického ústavu AV ČR. Právě díky tomuto unikátnímu multioborovému přesahu výzkumného týmu se výzkumníkům podařilo zásadně inovovat způsob čistění vody a posunout oproti stávajícím technologiím o 2-3 řády objemovou účinnost plazmové úpravy vody.

Nově vyvinutá plazmová jednotka spojuje pokročilé technologie fluidního a plazmového inženýrství a umožňuje plazmové ošetření vody v množství jednotek metrů krychlových vody za hodinu při provozních nákladech v řádu jednotek korun na jeden kubík. Technologie spojující světy fluidního inženýrství a fyziky plazmatu tak byla pojmenována CaviPlasma. Díky inovativnímu přístupu vědců z MU, VUT a AV ČR vznikla průmyslově zajímavá technologie s obrovským aplikačním potenciálem pro její reálné nasazení, a to s dosud bezprecedentní energetickou účinností.

Vynikající vlastnosti nového zdroje plazmatu jsou založeny na unikátní kombinaci hydromechanických a plazmochemických účinků v jediném zařízení. Procesem hydrodynamické kavitace se v proudící kapalině vytváří velké množství maličkých kavit (dutin nebo, chcete-li, bublin) obsahujících vodní páru, které při svém kolapsu působí výraznými mechanickými účinky na kapalinu a její okolí. Tento jev, který v lopatkových turbínách způsobuje nežádoucí erozi lopatek samotných, je v jednotce CaviPlasma důležitým předpokladem pro její efektivní činnost. V tzv. kavitačním mraku jsou totiž velice příznivé podmínky pro zapálení elektrického výboje, neboť kavity jsou tvořeny parami kapaliny (vody) o tlaku podstatně nižším, než je tlak atmosférický. Molekuly vody v kavitách jsou pak výbojem snadno disociovány a výsledné reaktivní částice se po kolapsu kavit dostávají do objemu kapaliny. A jsou to právě tyto reaktivní částice, které kapalinu od nežádoucích chemických látek čistí.

CaviPlasma však nenabízí pouze čištění chemicky znečištěné vody. Dalším významným využitím je ochrana proti nebezpečným mikroorganismům. CaviPlasma unikátním způsobem kombinuje působení vlivů mechanických, elektrických, plazmochemických a UV záření, které má výrazné biocidní účinky na nebezpečné mikroorganismy, jako jsou sinice či multirezistentní kmeny bakterií. A nejen to. Ukázalo se, že i samotná voda upravená technologií CaviPlasma má výrazné biologické účinky. Tato tzv. „plazmatem upravená“ voda (z angl. PTW – plasma treated water), se ukázala být velice účinnou např. pro potlačení růstu sinic a řas (DOI), či patogenů lidských i zvířecích. To rozšiřuje její aplikační potenciál do celé řady dalších oborů. Příkladem uveďme akvaponické pěstování plodin, kde v rámci předběžného testování v loňském roce byla tato technologie úspěšně vyzkoušena v prostředí zemědělské výroby. Právě tomuto směru aplikačního potenciálu CaviPlasma se věnoval ve svém PoC projektu Mgr. Jan Čech, Ph.D.

Technologie, která funguje

Výsledky dosavadního zkoumání vzbudily pozitivní ohlasy i v odborné komunitě. A to jak na mezinárodních konferencích v oblasti základního i aplikovaného výzkumu plazmatu (např. HAKONE XVII, CESPC-9, FSO 2023), ale i na konferencích věnovaných ochraně proti nebezpečným látkám (HAZMAT PROTECT 2022), či CBRN PROTECT 2023).

Vědci publikovali dva odborné články a další připravují. Jeden z nich byl vyhodnocen jako „editor choice“ časopisu Water (DOI). O uznání významného komerčního potenciálu této technologie směrem k reálným aplikacím svědčí také její vítězství ve finále „Transfera Technology Day 2020“, kam byla jako jeden ze dvou projektů z Brna vybrána odbornou porotou (viz Transfera.cz). V roce 2021 získala technologie CaviPlasma Zlatou medaili Mezinárodního strojírenského veletrhu v Brně.

Rozvoj CaviPlasma technologie by však nebyl možný bez systematického výzkumu – základního i aplikovaného. Vědci ze skupiny Aplikované plazmochemie se zabývají plazmově-fyzikálními aspekty a diagnostikou CaviPlasma pro hlubší pochopení jeho mechanismů, které umožní vyladění operačních parametrů výboje i vlastní konstrukce, jíž se věnují společně s experty na VUT. Kolegové z Botanického ústavu AV ČR jsou pak klíčoví pro charakterizaci a zlepšování účinnosti v oblastech dekontaminace, ničení mikroorganismů, či chemických látek. V posledních letech se vědci soustředili hlavně na hledání těch nejvhodnějších aplikací. Výzkum probíhal a stále probíhá i v rámci několika grantových projektů.

Projekt GA22-11456S financovaný prostřednictvím Grantové agentury České republiky, který aktuálně probíhá, se zaměřuje na základní výzkum. Tento projekt doc. Mgr. Pavla Sťahela, Ph.D. jako hlavního řešitele cílí na pochopení základních mechanismů CaviPlasma ke zvýšení jeho účinků. Již ukončený projekt SS01020006, který byl podpořen Technologickou agenturou České republiky v rámci programu Prostředí pro život, směřoval na využití technologie CaviPlasma pro čištění odpadních vod. V roce 2022 pak dr. Jan Čech řešil dílčí projekt typu Proof of Concept MUNI/31/06202105/2021 podpořený v rámci programu GAMA Technologické agentury České republiky, ve kterém zkoumal potenciál CaviPlasma technologie pro použití v zemědělství.

Výsledky jsou nejlepším důkazem úspěchu tohoto výzkumu v multioborové spolupráci. Vynalezená a úspěšně patentovaná technologie má vysoký potenciál pro environmentálně i ekonomicky šetrné ošetření znečištěných vod. Nadále probíhá mezinárodní patentové řízení a jednání se zájemci o průmyslové licence. Dosud byl udělen český, kanadský a izraelský patent, byly uzavřeny první dvě licenční smlouvy a můžeme tak vyhlížet první komerční testy. Čtenáři z řad studentů se také mohou k výzkumu CaviPlasma připojit. V týmu budete vítáni. Kontaktujte přímo doc. Pavla Sťahela.

Závěrem dodejme, že technologii CaviPlasmatu již byla věnována mediální pozornost. Již v roce 2021 o úspěších výzkumu psala VUT zde. V lednu 2022 o CaviPlasma mluvili doc. Pavel Sťahel, doc. Pavel Rudolf a prof. Blahoslav Maršálek v pořadu Dobré ráno ČT (zde) a v únoru 2022 následoval rozhovor s doc. Pavlem Rudolfem pro Technický deník zde.