Nieuwe hydrogel verwijdert microplastics uit water

Microplastics vormen een grote bedreiging voor de menselijke gezondheid. Deze kleine plasticresten kunnen ons lichaam binnendringen via het water dat we drinken en het risico op ziekten vergroten. Ze vormen ook een gevaar voor het milieu; Zelfs in afgelegen gebieden zoals poolijskappen en diepe oceaangeulen kunnen ze water- en landlevensvormen in gevaar brengen.

Om deze opkomende vervuiler te bestrijden hebben onderzoekers van het Indian Institute of Science (IISc) een duurzame hydrogel ontworpen om microplastics uit water te verwijderen. Het materiaal heeft een uniek verweven polymeernetwerk dat de verontreinigingen kan binden en afbreken met behulp van UV-lichtbestraling. Het onderzoek is gepubliceerd in het journaal Nanoschaal.

Wetenschappers hebben eerder geprobeerd filtermembranen te gebruiken om microplastics te verwijderen. De membranen kunnen echter verstopt raken door deze kleine deeltjes, waardoor ze onhoudbaar worden. In plaats daarvan besloot het IISc-team onder leiding van Suryasarathi Bose, hoogleraar aan de afdeling Materiaalkunde, zich tot 3D-hydrogels te wenden.

De nieuwe hydrogel die door het team is ontwikkeld, bestaat uit drie verschillende polymeerlagen – chitosan, polyvinylalcohol en polyaniline – die met elkaar zijn verweven, waardoor een Interpenetrating Polymer Network (IPN)-architectuur ontstaat. Het team heeft deze matrix doordrenkt met nanoclusters van een materiaal dat kopersubstituut polyoxometalaat (Cu-POM) wordt genoemd.

Deze nanoclusters zijn katalysatoren die UV-licht kunnen gebruiken om de microplastics af te breken. De combinatie van de polymeren en nanoclusters resulteerde in een sterke hydrogel met het vermogen om grote hoeveelheden microplastics te adsorberen en af ​​te breken.

De meeste microplastics zijn het product van de onvolledige afbraak van huishoudelijke plastics en vezels. Om dit in het laboratorium na te bootsen, heeft het team deksels van voedselcontainers en andere plastic producten voor dagelijks gebruik verpletterd om twee van de meest voorkomende microplastics in de natuur te creëren: polyvinylchloride en polypropyleen.

“Naast de behandeling of verwijdering van microplastics is de detectie een ander groot probleem. Omdat dit zeer kleine deeltjes zijn, kun je ze niet met het blote oog zien”, legt Soumi Dutta uit, eerste auteur van het onderzoek en SERB National Post-doctoral fellow aan het Afdeling Materiaalkunde.

Om dit probleem op te lossen, voegden de onderzoekers een fluorescerende kleurstof aan de microplastics toe om bij te houden hoeveel er onder verschillende omstandigheden door de hydrogel werd geadsorbeerd en afgebroken. “We hebben de verwijdering van microplastics gecontroleerd bij verschillende pH-niveaus van water, verschillende temperaturen en verschillende concentraties microplastics”, legt Dutta uit.

De hydrogel bleek zeer efficiënt te zijn: hij kon ongeveer 95% en 93% van de twee verschillende soorten microplastics in water bij een vrijwel neutrale pH (~6,5) verwijderen. Het team voerde ook verschillende experimenten uit om te testen hoe duurzaam en sterk het materiaal was. Ze ontdekten dat de combinatie van de drie polymeren het stabiel maakte onder verschillende temperaturen.

“We wilden een materiaal maken dat duurzamer is en herhaaldelijk kan worden gebruikt”, legt Bose uit. De hydrogel kan tot vijf cycli van microplasticverwijdering aanhouden zonder significant verlies aan werkzaamheid. Wat meer is, zo benadrukt Bose, is dat de hydrogel, zodra hij zijn gebruik heeft overleefd, kan worden hergebruikt in koolstofnanomaterialen die zware metalen zoals zeswaardig chroom uit vervuild water kunnen verwijderen.

In de toekomst zijn de onderzoekers van plan samen te werken met medewerkers om een ​​apparaat te ontwikkelen dat op grote schaal kan worden ingezet om microplastics uit verschillende waterbronnen op te ruimen.