Een ‘groenere’ manier om afvalwaterzuiveringsfilters te reinigen

Nanodeeltjes (bovenste afbeelding) breken vervuilende stoffen efficiënt af en zijn magnetisch, waardoor ze gemakkelijk terug te winnen zijn voor hergebruik (onderste afbeelding). Credit: Aangepast van ACS Toegepaste Materialen & Interfaces 2022, DOI: 10.1021/acsami.1c23466

Membraanfilters hebben niet veel energie nodig om water te zuiveren, waardoor ze populair zijn voor afvalwaterzuivering. Om deze materialen in topconditie te houden, worden ze gewoonlijk schoongemaakt met grote hoeveelheden sterke chemicaliën, maar sommige van deze middelen vernietigen de membranen tijdens het proces. Nu rapporteren onderzoekers in ACS Toegepaste Materialen & Interfaces hebben herbruikbare katalysatoren voor nanodeeltjes ontwikkeld die glucose bevatten om verontreinigingen in deze filters efficiënt af te breken zonder ze te beschadigen.

Doorgaans worden vuile afvalwaterfilters ontstopt met sterke zuren, basen of oxidanten. Chloorhoudende oxidanten zoals bleekmiddel kunnen de meest hardnekkige organische resten afbreken. Maar ze beschadigen ook polyamidemembranen, die in de meeste commerciële nanofiltratiesystemen zitten, en ze produceren giftige bijproducten. Een milder alternatief voor bleekmiddel is waterstofperoxide, maar het ontleedt verontreinigingen langzaam.

Eerder hebben wetenschappers waterstofperoxide gecombineerd met ijzeroxide om hydroxylradicalen te vormen die de efficiëntie van waterstofperoxide verbeteren in een proces dat bekend staat als de Fenton-reactie. Maar om de Fenton-reactie de filters te laten reinigen, zijn extra waterstofperoxide en zuur nodig, waardoor de financiële en milieukosten toenemen. Een manier om deze extra chemicaliën te vermijden, is door het enzym glucose-oxidase te gebruiken, dat gelijktijdig waterstofperoxide en gluconzuur vormt uit glucose en zuurstof. Dus wilden Jianquan Luo en collega’s glucose-oxidase en ijzeroxide-nanodeeltjes combineren tot een systeem dat de op Fenton gebaseerde afbraak van verontreinigingen katalyseert, waardoor een efficiënt en delicaat reinigingssysteem voor membraanfilters ontstaat.

Ten eerste vergeleken de onderzoekers de verwijdering van organische verontreinigingen uit polyamidefilters door het glucose-oxidase-enzym en ijzeroxide-nanodeeltjes met andere reinigingsmethoden, waaronder de traditionele Fenton-reactie. Ze ontdekten dat deze aanpak superieur was in het afbreken van de veelvoorkomende verontreinigingen bisfenol A en methyleenblauw, terwijl ook meer van de membraanstructuur behouden bleef.

Aangemoedigd door hun eerste resultaten, combineerde het team glucose-oxidase en ijzeroxide tot een enkel nanodeeltje en verbond ze met een aminobrug.

Ten slotte testten ze het vermogen van het nieuwe nanodeeltje om met methyleenblauw doordrenkte nanofiltratiemembranen te reinigen, die ze vervuilden en gedurende drie cycli schoonmaakten. Na elke reinigingscyclus werden de nanodeeltjes met een magneet teruggewonnen en hergebruikt met verse glucose om de katalysator te activeren. De nanodeeltjes waren zeer effectief in het reinigen van de membranen en brachten ze terug naar 94% van hun oorspronkelijke waterfiltratiecapaciteit. Omdat de nanodeeltjes geen sterke chemicaliën nodig hebben en gemakkelijk kunnen worden teruggewonnen, zeggen de onderzoekers dat hun nieuwe systeem een ​​”groenere” en meer kosteneffectieve benadering is voor het reinigen van nanofiltratiemembranen.