Nanovezels ontdoen water van gevaarlijke kleurstoffen: Onderzoekers ontwikkelen efficiënte filters op basis van celluloseafval

Het gebruik van afval om water te zuiveren klinkt misschien contra-intuïtief. Maar bij TU Wien is dit precies wat er nu is bereikt. Onderzoekers hebben een speciale nanostructuur ontwikkeld om een ​​wijdverspreide klasse schadelijke kleurstoffen uit water te filteren.

Een cruciaal onderdeel is een materiaal dat als afval wordt beschouwd: gebruikte cellulose, bijvoorbeeld in de vorm van schoonmaakdoekjes of papieren bekertjes. De cellulose wordt gebruikt om een ​​fijn nanoweefsel te coaten en zo een efficiënt filter voor vervuild water te creëren. Het papier is gepubliceerd in het journaal Kleine wetenschap.

Gekleurd gif in het water

Organische kleurstoffen vertegenwoordigen de grootste groep synthetische kleurstoffen, waaronder de zogenaamde azoverbindingen. Ze worden veel gebruikt in de textielindustrie, zelfs in landen waar weinig aandacht wordt besteed aan milieubescherming, en de kleurstoffen komen vaak in ongefilterd afvalwater terecht.

“Dit is gevaarlijk omdat dergelijke kleurstoffen heel langzaam afbreken, ze kunnen lang in het water blijven en een groot gevaar vormen voor mens en natuur”, zegt prof. Günther Rupprechter van het Instituut voor Materiaalchemie van de TU Wien.

Er zijn verschillende materialen die dergelijke kleurstoffen kunnen binden. Maar dat alleen is niet genoeg. “Als je het vervuilde water simpelweg over een filterfilm laat stromen die kleurstoffen kan binden, is de reinigende werking laag”, legt Rupprechter uit.

“Het is veel beter om een ​​nanoweefsel te maken van heel veel kleine vezels en het water erdoorheen te laten sijpelen.” Het water komt dan met een veel groter oppervlak in aanraking, waardoor er veel meer organische kleurstofmoleculen gebonden kunnen worden.

Celluloseafval als nanofilter

“We werken met semi-kristallijne nanocellulose, die uit afvalmateriaal kan worden geproduceerd”, zegt Qaisar Maqbool, eerste auteur van het onderzoek en postdoc in de onderzoeksgroep van Rupprechter. “Metaalhoudende stoffen worden vaak voor soortgelijke doeleinden gebruikt. Ons materiaal is daarentegen volkomen onschadelijk voor het milieu en we kunnen het ook produceren door oud papier te upcyclen.”

Deze nanocellulose wordt samen met het plastic polyacrylonitril “gesponnen” tot nanostructuren. Dit vereist echter veel technische vaardigheid. Het team van de TU Wien was succesvol met een zogenaamd elektrospinproces. Bij dit proces wordt het materiaal in vloeibare vorm versproeid, de druppeltjes worden elektrisch geladen en door een elektrisch veld gestuurd.

“Dit zorgt ervoor dat de vloeistof tijdens het uitharden extreem fijne draadjes vormt met een diameter van 180 tot 200 nanometer”, zegt Rupprechter. Deze draden vormen een fijn weefsel met een groot oppervlak – een zogenaamd ‘nanoweb’. Op één vierkante centimeter kan een netwerk van draden worden geplaatst, met een totaaloppervlak van meer dan 10 cm².

Succesvolle testen

De tests met deze met cellulose beklede nanostructuren waren zeer succesvol: in drie cycli werd met violette kleurstof verontreinigd water gezuiverd en 95% van de kleurstof verwijderd. “De kleurstoffen blijven opgeslagen in het nanoweb. Je kunt het hele web vervolgens afvoeren of regenereren, de opgeslagen kleurstoffen oplossen en het filterdoek hergebruiken”, legt Rupprechter uit.

Er moet echter nog meer werk worden verzet: het evalueren van de mechanische eigenschappen van de geavanceerde nanowebs, het uitvoeren van biocompatibiliteitstests, het beoordelen van de gevoeligheid voor complexere verontreinigende stoffen en het bereiken van schaalbaarheid naar industriële normen.

Nu willen Rupprechter en zijn onderzoeksteam onderzoeken hoe deze kleurstoffiltertechnologie kan worden overgedragen naar andere toepassingsgebieden.

“Deze technologie kan ook heel interessant zijn voor de medische wereld”, meent Rupprechter. “Bij dialyse moet je bijvoorbeeld ook heel specifieke chemische stoffen uit een vloeistof filteren.” Gecoate nanostoffen kunnen voor dergelijke toepassingen nuttig zijn.