Jedním z vážných environmentálních dopadů chodu moderní společnosti je vypouštění emergentních polutantů v odpadních vodách do životního prostředí, kde tyto polutanty nadále migrují a vstupují i do pitných vod a potravního řetězce. Hojně zastoupenou skupinou emergentních polutantů jsou léčiva, která jsou nebezpečná svým bioaktivním působením. Jelikož konvenční čistírny odpadních vod nejsou dostatečně účinné při jejich odstraňování, je v zájmu společnosti vyvinout a zavést efektivní technologie eliminace těchto polutantů z odpadních vod. Slibnou technologií se v tomto ohledu jeví adsorpce, neboť se jedná o proces nevyžadující nákladné investice ani kvalifikovanou obsluhu, avšak optimální sorbent je stále předmětem hledání. Odpovědí může být využití metal-organických sítí - MOFů, což jsou hybridní organokovové porézní krystalické materiály dosahující výjimečných sorpčních schopností. Tato práce se zabývá hodnocením účinnosti adsorpce tří běžně detekovaných léčiv - diklofenaku, tramadolu a sulfamethoxazolu na vybraných MOFech UiO-66 a UiO-67 a porovnáním jejich sorpčních schopností s aktivním uhlím, které se považuje za běžný sorbent. Za tímto účelem byly provedeny laboratorní experimenty s měřením adsorpčních kinetik a adsorpčních izoterem pro všechny kombinace těchto léčiv a sorbentů. Vysoká efektivita adsorpce na MOFy byla prokázána pro diklofenak, ostatní léčiva byla účinněji adsorbována aktivním uhlím s konzistentními výsledky. Z naměřených dat vyplývá, že MOFy nedosahují očekávané všestrannosti a jejich schopnost adsorbovat různá léčiva je rozmanitá, pravděpodobně kvůli různorodým mechanismům mezi MOFem a adsorbátem.
Anotace v angličtině
One of many serious environmental consequences of the modern society functioning is the discharge of emerging pollutants, present in wastewater, into the environment where further transport of these contaminants takes place, allowing them to enter drinking water resources and food chain. An abundant group of emerging pollutants are pharmaceuticals, which are dangerous for their bioactive effects. However, conventional wastewater treatment plants are not capable of removing these pollutants effectively. Therefore, it is in the best interest of society to invent new effective technologies of their elimination. Adsorption, being a rather low-cost and unattended technology, appears to be a promising method. However, an optimal sorbent is yet to be found. The answer might be the use of metal-organic frameworks - MOFs, which are a novel group of hybrid porous crystalline materials praised for their unique adsorption properties. The aim of this diploma thesis is to evaluate the adsorption effectivity of selected MOFs UiO-66 and UiO-67 for three commonly detected pharmaceuticals - diclofenac, tramadol and sulfamethoxazole, and to compare their adsorption properties to those of activated carbon, a common sorbent. Adsorption kinetic and adsorption isotherm experiments for all combinations of mentioned sorbents and pharmaceuticals were carried out for this cause. High adsorption effectivity of MOFs was demonstrated for diclofenac, the rest of the pharmaceuticals were adsorbed more effectively by the activated carbon with more consistent results. The measured data suggest that the selected MOFs do not achieve the expected adsorption qualities and their effectivity as a sorbent varies among the selected pharmaceuticals, probably as a result of different interactions between the MOFs and the adsorbates.
Jedním z vážných environmentálních dopadů chodu moderní společnosti je vypouštění emergentních polutantů v odpadních vodách do životního prostředí, kde tyto polutanty nadále migrují a vstupují i do pitných vod a potravního řetězce. Hojně zastoupenou skupinou emergentních polutantů jsou léčiva, která jsou nebezpečná svým bioaktivním působením. Jelikož konvenční čistírny odpadních vod nejsou dostatečně účinné při jejich odstraňování, je v zájmu společnosti vyvinout a zavést efektivní technologie eliminace těchto polutantů z odpadních vod. Slibnou technologií se v tomto ohledu jeví adsorpce, neboť se jedná o proces nevyžadující nákladné investice ani kvalifikovanou obsluhu, avšak optimální sorbent je stále předmětem hledání. Odpovědí může být využití metal-organických sítí - MOFů, což jsou hybridní organokovové porézní krystalické materiály dosahující výjimečných sorpčních schopností. Tato práce se zabývá hodnocením účinnosti adsorpce tří běžně detekovaných léčiv - diklofenaku, tramadolu a sulfamethoxazolu na vybraných MOFech UiO-66 a UiO-67 a porovnáním jejich sorpčních schopností s aktivním uhlím, které se považuje za běžný sorbent. Za tímto účelem byly provedeny laboratorní experimenty s měřením adsorpčních kinetik a adsorpčních izoterem pro všechny kombinace těchto léčiv a sorbentů. Vysoká efektivita adsorpce na MOFy byla prokázána pro diklofenak, ostatní léčiva byla účinněji adsorbována aktivním uhlím s konzistentními výsledky. Z naměřených dat vyplývá, že MOFy nedosahují očekávané všestrannosti a jejich schopnost adsorbovat různá léčiva je rozmanitá, pravděpodobně kvůli různorodým mechanismům mezi MOFem a adsorbátem.
Anotace v angličtině
One of many serious environmental consequences of the modern society functioning is the discharge of emerging pollutants, present in wastewater, into the environment where further transport of these contaminants takes place, allowing them to enter drinking water resources and food chain. An abundant group of emerging pollutants are pharmaceuticals, which are dangerous for their bioactive effects. However, conventional wastewater treatment plants are not capable of removing these pollutants effectively. Therefore, it is in the best interest of society to invent new effective technologies of their elimination. Adsorption, being a rather low-cost and unattended technology, appears to be a promising method. However, an optimal sorbent is yet to be found. The answer might be the use of metal-organic frameworks - MOFs, which are a novel group of hybrid porous crystalline materials praised for their unique adsorption properties. The aim of this diploma thesis is to evaluate the adsorption effectivity of selected MOFs UiO-66 and UiO-67 for three commonly detected pharmaceuticals - diclofenac, tramadol and sulfamethoxazole, and to compare their adsorption properties to those of activated carbon, a common sorbent. Adsorption kinetic and adsorption isotherm experiments for all combinations of mentioned sorbents and pharmaceuticals were carried out for this cause. High adsorption effectivity of MOFs was demonstrated for diclofenac, the rest of the pharmaceuticals were adsorbed more effectively by the activated carbon with more consistent results. The measured data suggest that the selected MOFs do not achieve the expected adsorption qualities and their effectivity as a sorbent varies among the selected pharmaceuticals, probably as a result of different interactions between the MOFs and the adsorbates.
1. Teoretická část
a. Vypracovaní rešerše na téma metal-organických sítí (MOF)
b. Detailní popis využití MOFů pro environmentální aplikace,zejména pro adsorpci polutantů a léčiv
c. Popis zvolených léčiv
d. Popis vybraných MOFů
2. Experimentální část
a. Validace metody HPLC pro stanovení léčiv
b. Kinetika adsorpce vybraných léčiv na zvolených MOFech
c. Adsorpční kapacita vybraných MOFů vůči vybraným léčivům(vyjádřeno adsorpčními isotermami)
d. Porovnání adsorpčních schopností MOFů s běžnými adsorbenty(např. aktivní uhlí)
3. Výsledky a diskuze
Zásady pro vypracování
1. Teoretická část
a. Vypracovaní rešerše na téma metal-organických sítí (MOF)
b. Detailní popis využití MOFů pro environmentální aplikace,zejména pro adsorpci polutantů a léčiv
c. Popis zvolených léčiv
d. Popis vybraných MOFů
2. Experimentální část
a. Validace metody HPLC pro stanovení léčiv
b. Kinetika adsorpce vybraných léčiv na zvolených MOFech
c. Adsorpční kapacita vybraných MOFů vůči vybraným léčivům(vyjádřeno adsorpčními isotermami)
d. Porovnání adsorpčních schopností MOFů s běžnými adsorbenty(např. aktivní uhlí)
3. Výsledky a diskuze
Seznam doporučené literatury
1) J. H.Cavka, S. Jakobsen, U. Olsbye, N. Guillou, C. Lamberti, S.Bordiga, K. P. Lillerud, A new zirkonium inorganic buildingbrick forming metal organic frameworks with exceptionalstability. J. Am. Chem. Soc., 2008, 130, 13850-13851.
2) Ch.Janiak, J. K. Vieth. MOFs, MILs and More: Concepts, Propertiesand Applications for Porous Coordination Networks (PCNs). New J.Chem., 2010, 34, 2366-2388.
3) D. Bůžek,J. Demel, K. Lang. Zirconium Metal-Organic Framework UiO-66:Stability in an Aqueous Environment and Its Relevance forOrganophosphate Degradation. Inorg. Chem., 2018, 57,14290-14297.
4) N. Yuan,X. Gong, W. Sun, C. Yu, Advanced applications of Zr-based MOFsin the removal of water pollutants, 2020, v tisku.
5)Metal-organic frameworks (MOFs) for environmental applications,Sujit K. Ghosh (ed.), 2019, 447 s.
Seznam doporučené literatury
1) J. H.Cavka, S. Jakobsen, U. Olsbye, N. Guillou, C. Lamberti, S.Bordiga, K. P. Lillerud, A new zirkonium inorganic buildingbrick forming metal organic frameworks with exceptionalstability. J. Am. Chem. Soc., 2008, 130, 13850-13851.
2) Ch.Janiak, J. K. Vieth. MOFs, MILs and More: Concepts, Propertiesand Applications for Porous Coordination Networks (PCNs). New J.Chem., 2010, 34, 2366-2388.
3) D. Bůžek,J. Demel, K. Lang. Zirconium Metal-Organic Framework UiO-66:Stability in an Aqueous Environment and Its Relevance forOrganophosphate Degradation. Inorg. Chem., 2018, 57,14290-14297.
4) N. Yuan,X. Gong, W. Sun, C. Yu, Advanced applications of Zr-based MOFsin the removal of water pollutants, 2020, v tisku.
5)Metal-organic frameworks (MOFs) for environmental applications,Sujit K. Ghosh (ed.), 2019, 447 s.
Přílohy volně vložené
-
Přílohy vázané v práci
ilustrace, grafy, tabulky
Převzato z knihovny
Ano
Plný text práce
Přílohy
Posudek(y) oponenta
Hodnocení vedoucího
Záznam průběhu obhajoby
V rámci obhajoby své diplomové práce přednesl student svou prezentaci. Student zde představil metodiku, výsledky a závěry formou grafů.
U obhajoby byl přítomen vedoucí práce Ing. Daniel Bůžek, Ph.D. a oponent práce Ing. Sylvie Kříženecká, Ph.D., kteří komisi seznámili se svými posudky.
Student zodpověděl otázku z posudku oponenta.
V diskuzi byly vzneseny následující dotazy a připomínky:
doc. Ing. Josef Trögl, Ph.D.: Na data bylo vhodné použít regresi a přidat do grafu. Exponenciála by měla být ověřena modelem. Pravděpodobně se o exponenciální křivku reálně nejednalo.
doc. Ing. Karel Svoboda, CSc.: Jak jsou použité MOFy stabilní v různých podmínkách?
prof. Ing. Josef Šedlbauer, Ph.D.: Napadá vás aplikace, kde by použité MOFy našly smysluplné využití?
Ing. Pavel Krystyník, Ph.D.: Bylo by to ekonomicky zajímavé v porovnání s aktivním uhlím?
prof. Ing. Josef Šedlbauer, Ph.D.: Jak se MOFy vyrábějí? Jak to převézt do reálného měřítka?