Nauki ścisłe [2021-03-02]

Chrząszcz pustynny ratunkiem dla wysychającej planety

— Marcin Behrendt

Chemicy z UMK dzięki obserwacji chrząszcza pustynnego, który potrafi jednocześnie zbierać i odpychać wodę, chcą stworzyć takie membrany, które będą coraz lepiej transportować wodę i zatrzymywać sole oraz inne zanieczyszczenia.

Coraz więcej publikacji naukowych inspiruje się zachowaniami natury. Przykładem powszechnie opisywanym w literaturze jest kwiat lotosu, który sam się oczyszcza. Naukowcy zaczęli zastanawiać się, dlaczego tak się dzieje i oglądać strukturę kwiatu lotosu pod mikroskopami. Doszli do wniosku, że jest silnie hydrofobowa, czyli unika wchłaniania kropel wody, która spływając zbiera pył i kurz. Oznacza to, że siły adhezji, czyli przyczepiania się wody do kwiatu, są bardzo małe, a jednocześnie brud łatwo nanosi się na kroplę wody, co daje efekt samooczyszczania. Dzięki tej obserwacji powstały samoczyszczące się powierzchnie, m.in. farby, dachówki czy tkaniny. Odmienną strukturę mają natomiast płatki róży. Dzięki hydrofobowej powierzchni kropla wody, która spadnie na płatek, przykleja się i nie spada (efekt płatka róży petal effect związany jest z wytworzeniem powierzchni hydrofobowej, ale o dużej adhezji).

Ciekawym przypadkiem jest również żaba, chodząca po sufitach – tu pojawia się pytanie, dlaczego nie spada z sufitu o chropowatej powierzchni. Naukowcy postanowili sprawdzić, jak jest zbudowana jej łapka i spróbowali ją odtworzyć. Teraz podobne rozwiązanie możemy spotkać na tzw. kopertach samoprzylepnych. Mają one papierowy pasek, chroniący klej. Można go oderwać bez żadnego problemu, natomiast gdy klej trafi na inny rodzaj papieru i zamkniemy kopertę, nie da się jej otworzyć bez rozcinania.

Natura stworzyła też bardziej złożone przypadki. Przykład? Struktura pancerza chrząszcza pustynnego ma dwoistą naturę. Jest jednocześnie hydrofobowa i hydrofilowa, a więc na pancerzu są obszary chłonące wodę i ją odpychające. Dzięki temu chrząszcze mogą przeżyć w tak trudnym środowisku, jakim jest pustynia - nic nie przylepia im się do pancerzyka, szczególnie wilgotny piasek, natomiast woda zbierana na obszarach hydrofobowych umożliwia im picie i przeżycie. – Oglądałam film, jak chrząszcz staje rano na łapkach, gdy jest rosa i wychwytuje z tej mgiełki wodę – mówi dr hab. Joanna Kujawa, prof. UMK z Wydziału Chemii. - Dzięki temu, że reszta powierzchni pancerza jest pokryta woskiem, woda spływa, a chrząszcz jest w stanie ją pić i przetrwać w tak trudnych warunkach.

Naukowcy zaczęli się zastanawiać, jak to rozwiązanie przenieść z natury do laboratorium, bo takie zjawisko jest wykorzystywane w destylacji membranowej. – Tam enzymy nanosi się przez absorpcję, czyli przyleganie powierzchniowe, a nie wiązania chemiczne – tłumaczy prof. dr hab. Wojciech Kujawski z Wydziału Chemii UMK. - Jeśli jest to absorpcja fizyczna, to łatwo może nastąpić desorpcja, bo tam oddziałują słabe siły.

Mocniejsze membrany

Chodziło o to, żeby wzmocnić membrany, które dzięki połączeniom chemicznym są trwalsze, bo one też się z czasem degradują, ale na pewno wolniej niż te powstające tylko przez fizyczne nałożenie drugiej warstwy. Dobrym pomysłem okazało się wykorzystanie chitozanu, którego na świecie jest bardzo dużo. Chityna, którą łatwo można przekształcić w chitozan, występuje naturalnie w pancerzach m.in. krewetek. Pancerzyków owoców morza są hałdy i nie wiadomo co z nimi robić. Toruńscy naukowcy stwierdzili, że nie dość że jest możliwość skopiowania struktury pancerza chrząszcza, to do tematu można podejść kompleksowo i wykorzystać zalegający chitozan zgodnie z zasadami filozofii zero waste. Dzięki niemu woda będzie jeszcze łatwiej spływać, spełni on więc tę rolę, którą spełnia wosk u chrząszcza. Chemicy zdecydowali, by chitozan przyłączyć w miejscu hydrofilowych wysepek.

To jest wymóg destylacji membranowej, że powierzchnia membrany musi być porowata i  hydrofobowa – wyjaśnia prof. Kujawa. - Można znaleźć wiele przykładów wykorzystania chitozanu w membranach, ale nikt wcześniej nie przyłączał go chemicznie. Dało nam to duże pole do popisu - jeśli przyłączymy chitozan chemicznie, to pozostanie na swoim miejscu. Będziemy mieli stabilne połączenie.

Naukowcy najpierw modyfikowali chitozan i potem przyczepiali go chemicznie do membrany. Teraz natomiast zdecydowali się najpierw zmodyfikować membranę, a dopiero później dołączyć do niej chitozan. Dzięki temu membrana jest bardziej hydrofilowa, można przepuścić przez nią większy strumień wody. - W literaturze nie ma podobnych prac, wiec trudno nam porównywać efekty z innymi – mówi prof. Kujawa. – Tam, gdzie fizycznie aplikowano chitozan do zmodyfikowanej membrany, też obserwowano poprawę, ale nie w takim stopniu jak u nas. Dzięki temu możemy dostosowywać materiał do procesu, w którym chcemy go wykorzystywać.

Membrana powstająca w trakcie modyfikacji fizycznej jest tak naprawdę "na raz". Później chitozan przeważnie jest wymywany. - Z ciekawości zrobiliśmy próbę stabilność modyfikowanych chemicznie membran do odsalania wody, w dziesięciu długich, kilkudniowych cyklach – zdradza prof. Kujawa. – Zaobserwowaliśmy delikatne zmiany, ale nie na tyle znaczące, by nagle wszystko nam się rozpadło.

Toruńscy chemicy testowali też odporność membran na zarastanie. Badania prowadzili na sokach owocowych. Przez oddziaływania pulpy owocowej z membraną resztki owoców zostawały na jej  powierzchni, zatykały pory i nie można było jej dłużej używać. Natomiast na powierzchni, mającej w składzie chitozan o dodatkowych właściwościach bakteriobójczych, występują zupełnie inne oddziaływania, pulpa owocowa nie przywiera, a jeśli już się to zdarzy, można bardzo łatwo ją zmyć strumieniem wody, bez dodatków środków chemicznych. Rozwiązanie naukowców z UMK ma szereg praktycznych zastosowań.

Chemicy z UMK napisali artykuły na temat tych badań. Pierwszy o przyłączaniu zmodyfikowanego chitozanu do membrany ukazał się w Desalination, drugi o dłączaniu chitozanu do zmodyfikowanej membranie opublikowali w ACS Applied Materials and Interfaces.

Badania są realizowane we współpracy z partnerem zagranicznym, prof. Samerem Al-Gharabli z Wydziału Farmacji i Inżynierii Chemicznej Niemiecko-Jordańskiego Uniwersytetu w Ammanie (Jordania). W ramach tej współpracy naukowcy prowadzą wspólne badania skupiające się na wytwarzaniu tzw. "smart materials" - inteligentnych materiałów separacyjnych o kontrolowanych właściwościach do szerokiego spektrum zastosowań.

Więcej wody

Dzięki swoim odkryciom chcą zrobić takie membrany, które coraz lepiej będą transportować wodę i jednocześnie zatrzymywać sole i inne zanieczyszczenia. – Oczywiście to wszystko jest związane z brakiem wody pitnej na Ziemi – tłumaczy prof. Kujawski. - W Polsce też będziemy musieli zmierzyć się z tym problemem i to znacznie szybciej, niż sądzą najwięksi pesymiści. Kilka lat temu byłem na seminarium w Jordanii, gdzie usłyszałem, że na problem braku wody należy patrzeć nie przez pryzmat całego kraju, ale poprzez pryzmat bardzo małej jednostki administracyjnej. Jeżeli się zaczyna dzielić kraj na coraz mniejsze kwadraty, to nagle się okazuje, że procent populacji o ograniczonym dostępie do wody gwałtownie rośnie. W Polsce mamy dostęp do wody wzdłuż rzek, ale gdy 20 lat temu byłem w Zakopanem, słyszałem "oszczędzajcie wodę, bo nasze strumienie wysychają". Tam studnie się zanieczyszczają, źródeł świeżej wody nie ma, więc problem wysychania i obniżania się wód gruntowych zdecydowanie postępuje.

Dlatego naukowcy szukają różnych sposobów produkcji wody pitnej. W tej chwili na świecie królują techniki membranowe, wśród których na pierwszy plan wysunęła się odwrócona osmoza. – To taki odwrócony proces ciśnieniowy, w którym stosujemy membrany nieporowate i przykładając ciśnienia aż do 60 barów, przepychamy przez nie wodę – wyjaśnia prof. Kujawski. - Nazywa się odwróconą osmozą, bo w typowym zjawisku osmozy woda jest zaciągana z roztworu rozcieńczonego do stężonego natomiast tutaj woda jest wypychana z roztworu stężonego przez membranę.

Obecnie przepisy dotyczące ochrony środowiska wymagają, by producent czystej wody metodą odwróconej osmozy zagospodarował odrzut, czyli zagęszczoną solankę. Kiedyś instalacje stały nad brzegiem morza i od razu była ona wyrzucana z powrotem. Obecnie trzeba szukać innych metod wykorzystania solanki. Można np. jeszcze bardziej ją zagęścić, do takiego poziomu, żeby zaczęła krystalizować i wykorzystać powstałą w ten sposób sól w innych procesach przemysłowych, np. do produkcji chloru lub wodorotlenku sodowego. W okolicach Torunia chlor z solanki produkują dwa duże zakłady: we Włocławku i Inowrocławiu.

Do przetwarzania solanki można też zastosować odwróconą destylację i to jest przykład naszych prac związanych z chrząszczami – mówi prof. Kujawski.  - Stosujemy membrany hydrofobowe, porowate, przenoszące ciecz ze strony zasilającej na stronę odbierającą, a ponieważ sól jako taka jest nielotna, przez membranę przenosimy tylko ten składnik, który można odparować przez pory membrany.

Chociaż odwrócona osmoza wysunęła się na czoło stosowanych obecnie technik membranowych, nie jest ona bezproblemowa. W trakcie procesu pojawia się ciśnienie osmotyczne, które potrafi być bardzo wysokie, a żeby zastosować odwróconą osmozę, ciśnienia muszą być wyższe od osmotycznego. Oznacza to, że już na starcie należy przyłożyć ciśnienie wyższe niż osmotyczne i to jest koszt, który trzeba włożyć w sam proces. Natomiast w destylacji membranowej wysiłek energetyczny jest zdecydowanie mniejszy, ponieważ cały proces polega na nieco innych właściwościach fizykochemicznych. Destylacja szczególnie sprawdza się w gorących krajach, takich jak Włochy, Hiszpania, Grecja, tam gdzie działają efektywne panele słoneczne.  Mając hotel na uboczu, do którego trzeba dostarczyć świeżą wodę, montuje się panel słoneczny na dachu, który podgrzewa wodę do destylacji membranowej. W efekcie z jednej strony mamy gorącą wodę, która płynie do układu, a z drugiej - chłodną wodę, która jest wykraplana. W ten sposób można tanio produkować wodę pitną, ale w niewielkich ilościach, podczas gdy przy odwróconej osmozie mówimy o milionach litrów dziennie.

Pitna woda morska

Dodatkowo w krajach mających dostęp do taniej energii elektrycznej można stosować tzw. elektrodializę, czyli wykorzystywać membrany specjalnego typu, ułatwiające transport jonów, a nie wody. W stronę katody przemieszczają się kationy, a w stronę anody - aniony i zostanie woda.

Jest jeszcze tzw. osmoza naturalna, która też może służyć do oczyszczania ścieków i wyciągania wody. Przelatuje ona przez membranę z roztworu rozcieńczonego w kierunku stężonego. Później trzeba jeszcze z tego stężonego roztworu, który w trakcie procesu się rozcieńcza, odzyskać w jakiś sposób wodę, do czego potrzebna jest dodatkowa metoda.

Destylacja membranowa jako zjawisko ma około 50 lat. Naukowcy zainteresowali się nią na początku lat 70. ubiegłego wieku, ale dopiero od kilkunastu lat powstają firmy budujące komercyjne instalacje o małej wydajności zaopatrujące w wodę pitną domki czy hotele. W Europie największe stanowisko badawcze nad destylacją membranową znajduje się w hiszpańskiej Almerii. – Do napędzania różnych procesów wykorzystywana jest tam energia słoneczna – mówi prof. Kujawski. - Hiszpanie mają gigantyczne zwierciadło, które zbiera promienie słoneczne, ono podgrzewa nie tylko wodę, ale też metale, ciepło wykorzystywane jest do ogrzewania, a przy okazji mają też kilka zestawów do destylacji membranowej i po prostu badają efektywność różnych konfiguracji. Miałem okazję kilka lat temu zwiedzić to centrum i muszę przyznać, że robi wrażenie.

Chemicy zapewniają, że ludzie piją już wodę morską, może jeszcze nie w Polsce, ale np. w Izraelu już tak. Tam do jej produkcji wykorzystywany jest proces odwróconej osmozy, natomiast w hotelach na Malediwach - destylacji membranowej. - W Ameryce są plemiona, które nadal prowadzą koczowniczy tryb życia – opowiada prof. Kujawski. - Naukowcy jednego z uniwersytetów przystosowali autobus szkolny, ma panele słoneczne na dachu, w środku system do destylacji membranowej i oni jeżdżą i produkują koczownikom wodę m.in. dlatego, że oni przemieszczają się po obszarze, na którym woda jest zatruta pierwiastkami typu arsen.

Trzeba pamiętać, że woda po destylacji membranowej, to woda destylowana więc tak naprawdę przed spożyciem trzeba ją zmineralizować. Naukowcy mówią żartobliwie: jest goła i trzeba ją ubrać.

Trudno oszacować, czy produkcja wody pitnej z wody morskiej jest kosztowna. Wszystko zależy od tego, jakie ilości chcemy osiągnąć i z jakiej technologii skorzystać. Kraje leżące w Zatoce Perskiej stosowały metody termiczne, to były jedne z pierwszych metod do produkcji wody pitnej z morskiej, w których woda morska jest wielokrotnie odparowywana i skraplana. Potrzeba do tego dużo ciepła, ale te państwa miały czym grzać, więc grzały. Później, na początku lat 60. ubiegłego wieku wyprodukowano pierwsze membrany i chwile później zaczęto je wykorzystywać do filtracji. – Trzeba też pamiętać, że jeżeli brakuje nam wody pitnej, to zapłacimy każdą cenę, żeby ją mieć – podsumowuje prof. Kujawski.