Een herbruikbaar, wasbaar nanovezelmembraan kan water duurzaam filteren

Het antimicrobiële triclosan wordt veel gebruikt in producten voor persoonlijke hygiëne, textiel en plastic, maar wanneer het via afvalwater in het milieu terechtkomt, vormt het een aanzienlijke bedreiging voor in het water levende organismen.

Een Cornell-onderzoeksgroep heeft een op cyclodextrine gebaseerd vezelig membraan ontwikkeld dat bij laboratoriumtests ongeveer 90% van het triclosan uit water verwijderde. Hun wasbare en herbruikbare nanovezelmateriaal, vervaardigd via elektrospinning – een proces waarbij een elektrisch veld wordt gebruikt om ultradunne vezels uit een vloeistof te trekken – verwijderde ook effectief andere microverontreinigingen.

“Het elektrospinnen produceert een zeer dunne vezel, met een diameter van minder dan 1 micron (een mensenhaar is ongeveer 75 micron), wat ons een groot oppervlak en een uitstekende adsorptie oplevert”, zegt Mahmoud Aboelkheir, doctoraalstudent Human Centered Design en hoofdauteur van het werk.

Het onderzoek, getiteld “Verwijdering van farmaceutische microverontreinigingen uit de waterige omgeving door elektrogesponnen polycyclodextrine nanovezelmembraan”, verschijnt in Scheidings- en zuiveringstechnologie.

De senior auteur is Tamer Uyar, universitair hoofddocent vezelwetenschappen in mensgericht ontwerp aan het College of Human Ecology. Co-auteurs zijn voormalig postdoctoraal onderzoeker van de Uyar-groep, Asli Celebioglu; Damian Helbling, universitair hoofddocent aan de School of Civil and Environmental Engineering, in Cornell Engineering; en Ivan Keresztes, directeur van de Cornell NMR en Chemistry Mass Spectrometry Facilities.

Triclosan is niet alleen een bedreiging voor in het water levende organismen, maar wordt ook in verband gebracht met hormoonontregeling, wat hormonale onbalans kan veroorzaken, evenals huidirritatie, huiduitslag en andere allergische reacties. De chemische stof is in de VS verboden in hand- en lichaamswasproducten voor consumenten, maar wordt nog steeds aangetroffen in veel producten voor persoonlijke verzorging.

Tien jaar geleden maakte Helbling deel uit van een onderzoeksgroep die een poreus, met cyclodextrine doordrenkt polymeer uitvond dat een adsorptiesnelheid bereikte die 200 maal hoger was dan die van traditionele actieve koolfiltratiesystemen. In het huidige werk heeft de Uyar-groep een vezel gemaakt van cyclodextrine, wat betekent dat het op zichzelf kan staan ​​als filtratiemateriaal in plaats van te worden opgenomen in een polymeer of een ander materiaal, wat resulteert in een nog groter filtratiepotentieel.

“Als vezelwetenschappers zijn we altijd op zoek naar de toepassing van vezels”, zegt Uyar. “Ons cyclodextrinemembraan is dus een vezelmateriaal, dus het kan zonder steunstructuur als membraan worden gebruikt.”

Bij laboratoriumtests verwijderde het cyclodextrinemembraan in de eerste 15 minuten ongeveer 75% van het triclosan in water (concentratie 11 milligram per liter). Het membraan bereikte na zes uur de verzadiging en bereikte een opname van ongeveer 88%.

Naast triclosan toonde het nanovezelige cyclodextrinemembraan van de groep een effectieve verwijdering aan van ciprofloxacine, een antibioticum dat wordt gebruikt om bacteriële infecties te behandelen; en oxybenzone, gevonden in zonnebrandcrème. Volgens Aboelkheir heeft de groep water uit verschillende bronnen getest om de werkzaamheid ervan te bevestigen.

“Onze medewerkers hebben watermonsters gekregen van Flat Rock en ook van enkele grondwaterputten en afvalwaterzuiveringsinstallaties in de omgeving”, zei hij. “Dit was een daadwerkelijke test van ons membraan, in realistische omgevingen waar het gebruikt kon worden, en het was nog steeds efficiënt in het verwijderen van deze microverontreinigingen.”

Een ander voordeel van het membraan van de Uyar-groep: herbruikbaarheid. In tegenstelling tot poedervormige adsorbentia, die veel energie nodig hebben om ze te herstellen voor verder gebruik, kan het cyclodextrinemembraan gemakkelijk worden geregenereerd door het gewoon te wassen. En aangezien cyclodextrine een derivaat is van maïszetmeel, is het biologisch afbreekbaar en duurzamer dan actieve kool, silica en andere niet-hernieuwbare stoffen.

De groep bevestigde haar bevindingen via Overhauser-verbeteringsspectroscopie met een roterend frame, een soort nucleaire magnetische resonantiespectroscopie, uitgevoerd in de Cornell NMR-faciliteiten.

Lopende onderzoeken in het laboratorium van Uyar omvatten de ontwikkeling van geavanceerde, op cyclodextrine gebaseerde nanovezelmembranen die zijn ontworpen om textielkleurstoffen, vluchtige organische stoffen (VOS) en persistente verontreinigende stoffen zoals per- en polyfluoralkylstoffen (PFAS), algemeen bekend als forever chemicaliën, op te vangen en te verwijderen.