Reinigingswater met ‘slimme roest’ en magneten

Roestvlekken in water gieten maakt het meestal vuiler. Maar onderzoekers hebben speciale nanodeeltjes van ijzeroxide ontwikkeld die ze ‘slimme roest’ noemen en die het zelfs schoner maken. Slimme roest kan veel stoffen aantrekken, waaronder olie, nano- en microplastics, evenals het herbicide glyfosaat, afhankelijk van de coating van de deeltjes. En omdat de nanodeeltjes magnetisch zijn, kunnen ze samen met de verontreinigende stoffen eenvoudig met een magneet uit het water worden verwijderd. Nu meldt het team dat ze de deeltjes hebben aangepast om oestrogeenhormonen vast te houden die mogelijk schadelijk zijn voor het waterleven.

De onderzoekers presenteren hun resultaten vandaag op de najaarsbijeenkomst van de American Chemical Society (ACS).

“Onze ‘slimme roest’ is goedkoop, niet-toxisch en recyclebaar”, zegt Marcus Halik, Ph.D., de hoofdonderzoeker van het project. “En we hebben het gebruik ervan voor allerlei soorten verontreinigingen aangetoond, wat het potentieel van deze techniek aantoont om de waterbehandeling drastisch te verbeteren.”

Al vele jaren onderzoekt het onderzoeksteam van Halik milieuvriendelijke manieren om verontreinigende stoffen uit water te verwijderen. De basismaterialen die ze gebruiken zijn nanodeeltjes van ijzeroxide in een superparamagnetische vorm, wat betekent dat ze door magneten worden aangetrokken, maar niet door elkaar, zodat de deeltjes niet klonteren.

Om ze “slim” te maken, ontwikkelde het team een ​​techniek om fosfonzuurmoleculen aan de nanometergrote bollen te hechten. “Nadat we een laag van de moleculen aan de ijzeroxidekernen hebben toegevoegd, zien ze eruit als haren die uit de oppervlakken van deze deeltjes steken”, zegt Halik, die werkt aan de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. Door vervolgens te veranderen wat aan de andere kant van de fosfonzuren is gebonden, kunnen de onderzoekers de eigenschappen van de oppervlakken van de nanodeeltjes afstemmen om verschillende soorten verontreinigende stoffen sterk te adsorberen.

Vroege versies van slimme roestvastgelegde ruwe olie uit water verzameld uit de Middellandse Zee en glyfosaat uit vijverwater verzameld in de buurt van de universiteit van de onderzoekers. Bovendien toonde het team aan dat slimme roest nano- en microplastics kan verwijderen die zijn toegevoegd aan laboratorium- en rivierwatermonsters.

Tot nu toe heeft het team zich gericht op verontreinigende stoffen die in overwegend grote hoeveelheden aanwezig zijn. Lukas Müller, een afgestudeerde student die tijdens de bijeenkomst nieuw werk presenteert, wilde weten of hij de roest-nanodeeltjes kon aanpassen om sporenverontreinigingen, zoals hormonen, aan te trekken. Wanneer een deel van de hormonen van het menselijk lichaam wordt uitgescheiden, worden ze in het afvalwater gespoeld en komen ze uiteindelijk in de waterwegen terecht. Natuurlijke en synthetische oestrogenen zijn zo’n groep hormonen en de belangrijkste bronnen van deze verontreinigingen zijn afval van mensen en vee. De hoeveelheden oestrogenen in het milieu zijn erg laag, zegt Müller, dus ze zijn moeilijk te verwijderen. Toch is aangetoond dat zelfs deze niveaus het metabolisme en de voortplanting van sommige planten en dieren beïnvloeden, hoewel de effecten van lage niveaus van deze verbindingen op mensen gedurende lange perioden niet volledig bekend zijn.

“Ik begon met het meest voorkomende oestrogeen, oestradiol, en vervolgens vier andere derivaten die vergelijkbare moleculaire structuren delen”, zegt Müller. Oestrogeenmoleculen hebben een omvangrijk steroïdenlichaam en delen met lichte negatieve ladingen. Om beide eigenschappen te benutten, bedekte hij nanodeeltjes van ijzeroxide met twee reeksen verbindingen: een die lang was en een andere die positief geladen was. De twee moleculen organiseerden zich op het oppervlak van de nanodeeltjes, en de onderzoekers veronderstellen dat ze samen vele miljarden “pockets” bouwen die het oestradiol naar binnen trekken en op hun plaats houden.

Omdat deze holtes onzichtbaar zijn voor het blote oog, heeft Müller high-tech instrumenten gebruikt om te verifiëren dat deze oestrogeenvangende holtes bestaan. Voorlopige resultaten tonen een efficiënte extractie van de hormonen uit laboratoriummonsters, maar de onderzoekers moeten kijken naar aanvullende experimenten met kernmagnetische resonantiespectroscopie in vaste toestand en neutronenverstrooiing onder een kleine hoek om de pockethypothese te verifiëren. “We proberen verschillende puzzelstukjes te gebruiken om te begrijpen hoe de moleculen zich daadwerkelijk op het oppervlak van de nanodeeltjes verzamelen”, legt Müller uit.

In de toekomst zal het team deze deeltjes testen op echte watermonsters en bepalen hoe vaak ze kunnen worden hergebruikt. Omdat elk nanodeeltje een groot oppervlak heeft met veel zakken, zeggen de onderzoekers dat ze oestrogenen uit meerdere watermonsters moeten kunnen verwijderen, waardoor de kosten per reiniging worden verlaagd. “Door deze deeltjes herhaaldelijk te recyclen, zou de materiaalimpact van deze waterbehandelingsmethode heel klein kunnen worden”, concludeert Halik.