Dekontaminering af tungmetalvand ved hjælp af protein fra planteaffald

Forskere fra Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore), har i samarbejde med ETH Zürich, Schweiz (ETHZ), skabt en membran lavet af et affaldsbiprodukt fra fremstilling af vegetabilsk olie, der kan filtrere tungmetaller fra forurenet vand.

Forskerholdet, ledet af professor Ali Miserez fra School of Materials Science &Engineering og School of Biological Sciences og NTU Gæsteprofessor Raffaele Mezzenga fra Institut for Sundhedsvidenskab og Teknologi ved ETHZ, opdagede, at proteiner afledt af biprodukter fra jordnødde- eller solsikkeolieproduktion kan tiltrække tungmetalioner meget effektivt.

I test viste de, at denne tiltrækningsproces, kaldet adsorption, var i stand til at rense forurenet vand i en grad, der opfylder internationale drikkestandarder.

Forskernes membran har potentialet til at være en billig, lavenergi, bæredygtig og skalerbar metode til at dekontaminere tungmetaller fra vand.

Prof. Miserez sagde:"Vandforurening er fortsat et stort globalt problem i mange dele af verden. Tungmetaller repræsenterer en stor gruppe vandforurenende stoffer, der kan ophobes i den menneskelige krop og forårsage kræft og mutagene sygdomme. Nuværende teknologier til at fjerne dem er energi -intensive, kræver strøm til at fungere, eller er meget selektive i, hvad de filtrerer."

"Vores proteinbaserede membraner er skabt gennem en grøn og bæredygtig proces og kræver lidt eller ingen strøm for at køre, hvilket gør dem levedygtige til brug i hele verden og især i mindre udviklede lande. Vores arbejde sætter tungmetallet derhen, hvor det hører hjemme - som en musikgenre og ikke et forurenende stof i drikkevand," sagde prof. Miserez.

Holdets forskningsresultater blev offentliggjort i Chemical Engineering Journal i april. Deres forskningsfokus i at skabe vandsikkerhed er i overensstemmelse med NTU 2025-strategiplanen og universitetets mål om at afbøde menneskehedens påvirkning af miljøet.

Forvandling af vegetabilske oliefrømåltider til vandfiltre

Produktionen af ​​kommercielle husholdnings vegetabilske olier genererer affaldsbiprodukter kaldet oliefrømel. Det er de proteinrige rester, der bliver tilbage, efter at olien er blevet udvundet fra den rå plante.

Det NTU-ledede forskerhold brugte oliefrømåltider fra to almindelige vegetabilske olier, solsikke- og jordnøddeolier. Efter at have udvundet proteinerne fra oliefrømel, forvandlede holdet dem til proteinamyloidfibriller i nanostørrelse, som er reblignende strukturer lavet af tætsårede proteiner. Disse proteinfibriller trækkes til tungmetaller og fungerer som en molekylsigte, der fanger tungmetalioner, når de passerer forbi.

Et kilogram oliefrømel producerer omkring 160 g protein.

Bladets første forfatter, NTU Ph.D. studerende Mr. Soon Wei Long sagde:"Proteinrige solsikke- og jordnøddemåltider er billige råvarer, hvorfra protein kan udvindes, isoleres og selvsamles til funktionelle amyloidfibriller til fjernelse af tungmetal. Dette er den første gang amyloidfibriller er blevet opnået fra solsikke- og jordnøddeproteiner."

Forskerne kombinerede de ekstraherede amyloidfibriller med aktivt kul - et almindeligt anvendt filtreringsmateriale - for at danne en hybridmembran. De testede deres membraner på tre almindelige tungmetalforurenende stoffer:platin, krom og bly.

Når forurenet vand strømmer gennem membranen, klæber tungmetalionerne fast på overfladen af ​​amyloidfibrillerne - en proces kaldet adsorption. Amyloidfibrillernes høje overflade-til-volumenforhold gør dem effektive til at adsorbere en stor mængde tungmetaller.

Holdet fandt ud af, at deres membraner filtrerede op til 99,89% af tungmetallerne. Blandt de tre testede metaller var filteret mest effektivt til bly og platin efterfulgt af chrom.

"Filtret kan bruges til at filtrere enhver form for tungmetaller, og også organiske forurenende stoffer som PFAS (perfluoralkyl- og polyfluoralkyl-stoffer), som er kemikalier, der er blevet brugt i en lang række forbruger- og industriprodukter," sagde prof. Miserez. "Amyloidfibrillerne indeholder aminosyrebindinger, der fanger og klemmer tungmetalpartikler mellem dem, mens de lader vand passere igennem."

Forskerne siger, at koncentrationen af ​​tungmetaller i forurenet vand vil bestemme, hvor meget volumen vand membranen kan filtrere fra. En hybridmembran lavet med solsikkeproteinamyloider vil kun kræve 16 kg protein for at filtrere det ækvivalente volumen af ​​en swimmingpool i olympisk størrelse, der er forurenet med 400 dele per milliard (ppb) bly i drikkevand.

"Processen er let skalerbar på grund af dens enkelhed og minimale brug af kemiske reagenser, hvilket peger mod bæredygtige og billige vandbehandlingsteknologier," sagde Mr. Soon. "Dette giver os mulighed for at ombehandle affaldsstrømme til yderligere anvendelser og fuldt ud at udnytte forskelligt industrielt madaffald til gavnlige teknologier.

De fangede metaller kan også udvindes og genanvendes yderligere. Efter filtrering kan membranen, der bruges til at fange metallerne, simpelthen brændes og efterlade metallerne.

"Mens metaller som bly eller kviksølv er giftige og kan bortskaffes sikkert, har andre metaller, såsom platin, værdifulde anvendelser til at skabe elektronik og andet følsomt udstyr," sagde prof. Miserez.

"Genvinding af ædle platin, som koster 33.000 US$/kg, kræver kun 32 kg protein, mens genvinding af guld, som er næsten 60.000 US$/kg værd, kun kræver 16 kg protein. I betragtning af, at disse proteiner udvindes fra industriaffald, dvs. mindre end 1 USD/kg værd, er der store omkostningsfordele."

Bæredygtig filtrering med lav effekt

Avisens medforfatter, prof. Raffaele Mezzenga, havde tidligere opdaget i 2016, at valleproteiner afledt af mælk fra køer havde lignende metaltiltrækkende egenskaber.

Forskerne indså, at proteiner fra vegetabilsk oliefrømel også kunne have lignende egenskaber. Deres eksperimenter viste, at disse proteiner ikke kun var lige så effektive, men også billigere og mere bæredygtige, da de opbruger affald, som ellers ville blive kasseret eller brugt som foder til dyrefoder.

En anden stor fordel, siger forskerne, er, at denne filtrering kræver lidt eller ingen energi, i modsætning til andre metoder som omvendt osmose, der kræver elektricitet.

"Med vores membran gør tyngdekraften det meste eller hele arbejdet," sagde prof. Mezzenga. "Denne laveffektfiltreringsmetode kan være meget nyttig i områder, hvor der kan være begrænset adgang til elektricitet og strøm." + Udforsk yderligere

Filtermembran gør vira harmløse