Meget effektivt tungmetalionfilter

I november 2015 Brasilien oplevede en miljøkatastrofe uden sidestykke. Da to dæmninger brød ved en jernmalmmine, en giftig cocktail af tungmetaller blev sendt ind i Rio Doce, når Atlanten nogle dage senere. Konsekvenserne var ødelæggende for både naturen og mennesker:utallige fisk, fugle og dyr døde, og en kvart million mennesker blev efterladt uden drikkevand.

Denne sag viser, at vandforurening er et af nutidens mest alvorlige globale problemer. Der er ikke fundet en tilfredsstillende teknisk løsning til behandling af vand forurenet med tungmetaller eller radioaktive stoffer. Eksisterende metoder, der bruges til at fjerne vand fra tungmetaller, for eksempel, har flere ulemper:enten er de for målrettet mod et specifikt element, eller også er deres filterkapacitet for lille; desuden, de er ofte for dyre.

Effektiv filtrering af tungmetaller

Nu, en løsning kan være blevet fundet i en ny type hybrid filtermembran udviklet i laboratoriet hos Raffaele Mezzenga, Professor i fødevarer og bløde materialer ved ETH Zürich. Denne teknologi har ikke kun en ekstremt simpel struktur, men omfatter også billige råvarer, såsom valleproteinfibre og aktivt kul. Tungmetalioner kan næsten fjernes fuldstændigt fra vandet på kun en enkelt passage gennem filtermembranen.

"Projektet er en af ​​de vigtigste ting, jeg måske nogensinde har gjort, " siger Mezzenga, begejstret for den nye udvikling. Han og hans forsker Sreenath Bolisetty var de eneste, der arbejdede på det, og deres offentliggørelse er netop udkommet i tidsskriftet Natur nanoteknologi .

Valle og aktivt kul påkrævet

I hjertet af filtreringssystemet er en ny type hybridmembran bestående af aktivt kul og sej, stive valleproteinfibre. De to komponenter er billige at skaffe og enkle at producere.

Først og fremmest, valleproteinerne denatureres, som får dem til at strække sig, og i sidste ende kommer sammen i form af amyloid fibriller. Sammen med aktivt kul (som også er indeholdt i medicinske kultabletter), disse fibre påføres et passende substratmateriale, såsom et cellulosefilterpapir. Kulstofindholdet er 98%, med blot 2% består af proteinet.

Guldgenvinding takket være filtermembranen

Denne hybridmembran absorberer forskellige tungmetaller på en ikke-specifik måde, herunder industrielt relevante elementer, såsom bly, kviksølv, guld og palladium. Imidlertid, det absorberer også radioaktive stoffer, såsom uran eller fosfor-32, som er relevante i nukleart affald eller visse kræftbehandlinger, henholdsvis.

I øvrigt, membranen fjerner meget giftige metalcyanider fra vand. Denne klasse af materialer omfatter guldcyanid, som er almindeligt brugt i elektronikindustrien til at producere lederspor på printplader. Membranen giver en enkel måde at filtrere og genvinde guldet på, således kan filtersystemet en dag også spille en vigtig rolle i guldgenanvendelse. "Fortjenesten genereret af det genvundne guld er mere end 200 gange prisen på hybridmembranen, " siger Mezzenga.

Filtreringsprocessen er ekstremt enkel:forurenet vand suges gennem membranen ved vakuum. "Et tilstrækkeligt stærkt vakuum kunne fremstilles med en simpel håndpumpe, " siger Mezzenga, "hvilket ville gøre det muligt at drive systemet uden elektricitet." Desuden, systemet er næsten uendeligt skalerbart, så selv store mængder vand kan filtreres omkostningseffektivt.

Når de trækkes gennem filteret, de giftige stoffer 'klæber' sig primært til proteinfibrene, som har adskillige bindingssteder, hvor individuelle metalioner kan docke. Imidlertid, det store overfladeareal af det aktive kul kan også absorbere store mængder toksiner, hvilket gør det muligt at forsinke membranernes mætningsgrænser. Ud over, proteinfibrene giver mekanisk styrke til membranen og ved høje temperaturer tillader de fangede ioner at blive kemisk omdannet til værdifulde metalliske nanopartikler.

Uovertruffen absorptionsevne

Mezzenga er begejstret for hybridmembranens filterkapacitet:i test med kviksølvklorid, for eksempel, kviksølvkoncentrationen i filtratet faldt med mere end 99,5 %. Effektiviteten var endnu højere med en giftig kaliumguldcyanidforbindelse, hvor 99,98% af forbindelsen var bundet til membranen, eller med blysalte, hvor effektiviteten var større end 99,97 %. Og med radioaktivt uran, 99,4% af den oprindelige koncentration blev bundet under filtrering. "Vi opnåede disse høje værdier på bare et enkelt gennemløb, " understreger Bolisetty, medforfatter til opfindelsen.

Selv over flere afleveringer, hybridmembranen frafiltrerer giftige stoffer med en høj grad af pålidelighed. Selvom kviksølvkoncentrationen i filtratet steg med en faktor 10 fra 0,4 ppm (parts per million) til 4,2 ppm efter 10 passager, den anvendte mængde protein var ekstremt lav. For at filtrere en halv liter forurenet vand, forskerne brugte en membran, der kun vejede en tiendedel af et gram, hvoraf syv vægtprocent bestod af proteinfibre. "Et kilo valleprotein ville være nok til at rense 90.000 liter vand, mere end den mængde vand, der er nødvendig i et menneskes liv, " siger ETH-professoren. Det betyder også, at effektiviteten kan øges yderligere til de ønskede krav, ved blot at øge proteinindholdet i membranen, tilføjer han, understreger fleksibiliteten i denne nye tilgang.

Lovende potentiale

Mezzenga er overbevist om, at hans teknologi vil finde vej til markedet. "Der er mange ansøgninger om det, og vand er et af de mest presserende problemer, vi står over for i dag, " siger han i lyset af den strøm af mudder, der opleves i Brasilien. ETH-professoren har patenteret sin teknologi og blev i marts i år nomineret til ETH Zürichs Spark Award. fordi den videnskabelige publikation skulle gennemgå en ni måneders revisionsproces, først nu kan Bolisetty og Mezzenga offentliggøre deres opdagelse.