Op de natuur gebaseerd filtermateriaal kan langdurige chemicaliën uit water verwijderen

Waterverontreiniging door de chemicaliën die in de technologie van vandaag de dag worden gebruikt, is wereldwijd een snel groeiend probleem. Een recent onderzoek van de Amerikaanse Centers for Disease Control wees uit dat 98% van de geteste mensen detecteerbare niveaus van PFAS had, een familie van bijzonder langdurige verbindingen, ook wel bekend als forever chemicals, in hun bloedbaan.

Een nieuw filtratiemateriaal ontwikkeld door onderzoekers van MIT zou een op de natuur gebaseerde oplossing kunnen bieden voor dit hardnekkige verontreinigingsprobleem. Het materiaal, gebaseerd op natuurlijke zijde en cellulose, kan een breed scala aan deze hardnekkige chemicaliën verwijderen, evenals zware metalen. En de antimicrobiële eigenschappen kunnen helpen voorkomen dat de filters vervuilen.

De bevindingen zijn beschreven in het dagboek ACS Nanoin een paper van MIT-postdoc Yilin Zhang, hoogleraar civiele techniek en milieutechniek Benedetto Marelli en vier anderen van MIT.

PFAS-chemicaliën zijn aanwezig in een breed scala aan producten, waaronder cosmetica, voedselverpakkingen, waterbestendige kleding, blusschuim en antiaanbaklagen voor kookgerei. Een recent onderzoek identificeerde 57.000 locaties die alleen al in de VS door deze chemicaliën zijn verontreinigd. De Amerikaanse Environmental Protection Agency schat dat het saneren van PFAS $ 1,5 miljard per jaar zal kosten om te voldoen aan de nieuwe regelgeving die vereist dat de verbinding wordt beperkt tot minder dan 7 delen per biljoen in drinkwater.

Verontreiniging door PFAS en vergelijkbare verbindingen “is eigenlijk een heel groot probleem, en huidige oplossingen kunnen dit probleem slechts gedeeltelijk oplossen, heel efficiënt of economisch”, zegt Zhang. “Daarom hebben we deze op proteïne en cellulose gebaseerde, volledig natuurlijke oplossing bedacht”, zegt hij.

“We kwamen toevallig bij het project terecht,” merkt Marelli op. De eerste technologie die het filtratiemateriaal mogelijk maakte, werd door zijn groep ontwikkeld voor een totaal ongerelateerd doel: een manier om een ​​etiketteringssysteem te maken om de verspreiding van namaakzaden tegen te gaan, die vaak van inferieure kwaliteit zijn. Zijn team bedacht een manier om zijdeproteïnen te verwerken tot uniforme nanoschaalkristallen, of “nanofibrillen”, via een milieuvriendelijke, op water gebaseerde drop-castingmethode bij kamertemperatuur.

Zhang opperde dat hun nieuwe nanofibrillaire materiaal effectief zou kunnen zijn bij het filteren van verontreinigingen, maar de eerste pogingen met de zijden nanofibrillen alleen werkten niet. Het team besloot om een ​​ander materiaal toe te voegen: cellulose, dat overvloedig beschikbaar is en kan worden verkregen uit landbouwafval van houtpulp.

De onderzoekers gebruikten een zelfassemblagemethode waarbij het zijdefibroïne-eiwit in water wordt gesuspendeerd en vervolgens in nanofibrillen wordt gegoten door “zaden” van cellulose-nanokristallen in te voegen. Dit zorgt ervoor dat de voorheen ongeordende zijdemoleculen zich langs de zaden op een rij zetten, wat de basis vormt van een hybride materiaal met duidelijke nieuwe eigenschappen.

Door cellulose te integreren in de zijdevezels, die tot een dun membraan konden worden gevormd, en vervolgens de elektrische lading van de cellulose aan te passen, produceerden de onderzoekers een materiaal dat zeer effectief was bij het verwijderen van verontreinigingen in laboratoriumtests.

De elektrische lading van de cellulose, zo ontdekten ze, gaf het ook sterke antimicrobiële eigenschappen. Dit is een belangrijk voordeel, aangezien een van de belangrijkste oorzaken van falen in filtratiemembranen vervuiling door bacteriën en schimmels is. De antimicrobiële eigenschappen van dit materiaal zouden dat vervuilingsprobleem aanzienlijk moeten verminderen, zeggen de onderzoekers.

“Deze materialen kunnen echt concurreren met de huidige standaardmaterialen in waterfiltratie als het gaat om het extraheren van metaalionen en deze opkomende verontreinigingen, en ze kunnen sommige van hen momenteel ook overtreffen”, zegt Marelli. In laboratoriumtests waren de materialen in staat om ordes van grootte meer van de verontreinigingen uit water te extraheren dan de momenteel gebruikte standaardmaterialen, actieve kool of korrelige actieve kool.

Hoewel het nieuwe werk dient als een bewijs van het principe, zegt Marelli, is het team van plan om door te gaan met het verbeteren van het materiaal, met name wat betreft duurzaamheid en beschikbaarheid van bronmaterialen. Hoewel de gebruikte zijdeproteïnen beschikbaar kunnen zijn als een bijproduct van de zijdetextielindustrie, zou de voorraad onvoldoende kunnen zijn als dit materiaal zou worden opgeschaald om te voldoen aan de wereldwijde behoeften aan waterfiltratie. Ook kunnen alternatieve proteïnematerialen dezelfde functie blijken te vervullen tegen lagere kosten.

In eerste instantie zou het materiaal waarschijnlijk worden gebruikt als een point-of-use filter, iets dat aan een keukenkraan kan worden bevestigd, zegt Zhang. Uiteindelijk zou het kunnen worden opgeschaald om filtratie te bieden voor gemeentelijke watervoorzieningen, maar alleen nadat testen hebben aangetoond dat dit geen enkel risico zou opleveren voor het introduceren van enige verontreiniging in de watervoorziening. Eén groot voordeel van het materiaal, zegt hij, is echter dat zowel de zijde als de cellulosebestanddelen worden beschouwd als stoffen van voedingskwaliteit, dus enige verontreiniging is onwaarschijnlijk.

“De meeste normale materialen die vandaag de dag beschikbaar zijn, richten zich op één klasse van verontreinigingen of lossen afzonderlijke problemen op,” zegt Zhang. “Ik denk dat wij tot de eersten behoren die al deze problemen tegelijk aanpakken.”

Het onderzoeksteam bestond uit MIT-postdocs Hui Sun en Meng Li, doctoraalstudent Maxwell Kalinowski en de recent afgestudeerde Yunteng Cao, Ph.D., nu postdoc bij Yale.