Waterbehandeling: Steroïdhormonen opvangen met nanobuisjes

Steroïdehormonen behoren tot de meest voorkomende microverontreinigingen in het water. Ze zijn schadelijk voor de menselijke gezondheid en veroorzaken ecologische onevenwichtigheden in het aquatisch milieu.

Aan het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) hebben onderzoekers onderzocht hoe steroïde hormonen worden afgebroken in een elektrochemische membraanreactor met membranen van koolstofnanobuisjes. Ze ontdekten dat adsorptie van steroïde hormonen op de koolstofnanobuisjes de daaropvolgende afbraak van de hormonen niet beperkte.

Het leveren van schoon water aan mensen over de hele wereld is een van de grote uitdagingen van vandaag en morgen. Diverse microverontreinigingen (organische en anorganische stoffen) zijn in lage concentraties aanwezig in afvalwater, maar kunnen toch schadelijk zijn voor mens en milieu.

Er zijn aanzienlijke risico’s verbonden aan hormoonontregelende stoffen, zoals steroïde hormonen, die het hormonale systeem kunnen beïnvloeden. Dergelijke stoffen zijn aanwezig in farmaceutische producten, anticonceptiva en andere producten. Hoewel ze moeilijk in water te detecteren zijn, kunnen ze de menselijke gezondheid ernstig schaden en het ecologische evenwicht van het aquatisch milieu verstoren.

Oxidatie vergemakkelijkt de afbraak van microverontreinigingen

Steroïdehormonen kunnen met conventionele waterbehandelingsmethoden niet worden gedetecteerd of verwijderd. Elektrochemische oxidatie (EO) krijgt steeds meer erkenning als een veelbelovende aanpak voor de verwijdering ervan; EO-systemen bestaan ​​uit een anode en een kathode die zijn aangesloten op een externe stroombron.
De elektrische energie aan de elektroden wordt gevarieerd (gemoduleerd), wat leidt tot de oxidatie en afbraak van verontreinigende stoffen aan het oppervlak van de anode.

EO kan effectiever worden benut met elektrochemische membraanreactoren (EMR), waarin een geleidend membraan als doorstroomelektrode dient, waardoor de massaoverdracht wordt verbeterd en actieve plaatsen toegankelijker worden gemaakt voor de reagerende moleculen.

Unieke fysische en chemische eigenschappen van koolstofnanobuisjes

In samenwerking met wetenschappers van de Universiteit van Californië, Los Angeles en de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem hebben onderzoekers van het KIT Institute for Advanced Membrane Technology (IAMT) vooruitgang aangekondigd in het begrijpen van de mysterieuze mechanismen die aan het werk zijn in EMR.

Voor een papiertje in ‘Waterbehandeling en oogsten’, een speciale uitgave van Natuurcommunicatieonderzochten ze de afbraak van steroïde hormoon-microverontreinigingen in een EMR met koolstofnanobuismembranen. Met diameters in het nanometerbereik hebben koolstofnanobuisjes (CNT) unieke fysische en chemische eigenschappen.

“Hun hoge elektrische geleidbaarheid maakt efficiënte elektronenoverdracht mogelijk”, zegt Andrea Iris Schäfer, hoogleraar Water Process Engineering en hoofd van de IAMT bij het KIT.

“Dankzij hun nanostructuur hebben CNT’s een extreem groot oppervlak, waardoor ze een enorm potentieel hebben voor het adsorberen van verschillende organische verbindingen. Dat maakt daaropvolgende elektrochemische reacties gemakkelijker.”

In hun onderzoek gebruikten de wetenschappers de modernste analytische methoden om de complexe interacties van adsorptie en desorptie, elektrochemische reacties en de vorming van bijproducten in een EMR te onderzoeken.

“We ontdekten dat pre-adsorptie van steroïde hormonen, wat betekent hun verrijking aan het oppervlak van de CNT, de latere afbraak van de hormonen niet beperkte”, zegt Dr. Siqi Liu, een IAMT-postdoc. “We schrijven dit toe aan snelle adsorptie en effectieve massaoverdracht.”

De analytische aanpak van het onderzoek vergemakkelijkt de identificatie van factoren die de hormoonafbraak onder verschillende omstandigheden beperken.

“Onze analyse verklaart enkele van de onderliggende mechanismen in elektrochemische membraanreactoren en biedt waardevolle inzichten voor de verbetering van elektrochemische strategieën voor het elimineren van microverontreinigingen uit water”, concludeerde Schäfer.