Nanoteknologi giver værktøjerne til at rense oliespild

Oceaniske olieudslip er svære at rydde op. De farver fjer en sirupsagtig sepia og solbrune fiskeæg med en giftig farve. Jo mere turbulente vandet er, jo længere glatten breder sig, med blækagtige dråber, der falder ned i det saltede dyb.

Nu kan teknologien måske lykkes, hvor hårdtarbejdende frivillige har svigtet tidligere. Forskere ved A*STAR Institute of Bioengineering and Nanotechnology (IBN) bruger nanovidenskab til at forvandle et olieudslip til en flydende masse af brun gelé, der kan øses op, før det kan finde vej ind i fødekæden.

"Nanovidenskab gør det muligt at skræddersy de væsentlige strukturer af materialer på nanometerskala for at opnå specifikke egenskaber, " siger kemiker Yugen Zhang ved IBN, som udvikler nogle af teknologierne. "Strukturer og materialer i nanometerstørrelsesområdet påtager sig ofte karakteristiske egenskaber, som ikke ses i andre størrelsesområder, " tilføjer Huaqiang Zeng, en anden kemiker hos IBN.

Jelly slick

Der er mange tilgange til at rense et olieudslip, og ingen er fuldstændig effektive. Frisk, tykt fedt kan sættes i brand eller indesluttes af flydende barrierer, så skimmere kan øse ud. Slicket kan også hærdes ineffektivt, rodet absorberet, farligt spredt, eller langsomt indtaget af oliegræssende bakterier. Alle disse er mangelfulde i stor skala, især i hårdt vand.

Organiske molekyler med særlige geleringsevner tilbyder en billig, enkelt og miljøvenligt alternativ til at rydde op i rodet. Zeng har udviklet flere sådanne molekyler, der omdanner råolie til gelé inden for få minutter.

For at skabe sine 'supergelatorer', Zeng designede molekylerne til at associere med hinanden uden at danne fysiske bindinger. Når det sprøjtes på forurenet havvand, molekylerne bundter sig straks til lange fibre mellem 40 og 800 nanometer brede. Disse tråde skaber et spind, der fanger den indskudte olie i en kæmpe klat, der flyder på vandoverfladen. Gunken kan derefter hurtigt sigtes ud af havet. Værdifuld råolie kan senere genvindes ved hjælp af en almindelig teknik anvendt af olieraffinaderier kaldet fraktioneret destillation.

Zeng testede supergelatorerne på fire typer råolie med forskellige densiteter, viskositeter og svovlniveauer i et lille rundt fad. Resultaterne var imponerende. "Supergelatorerne størknede både frisk spildt råolie og stærkt forvitret råolie 37 til 60 gange deres egen vægt, " siger Zeng. Materialerne, der bruges til at producere disse organiske molekyler, er billige og ikke-giftige, hvilket gør dem til en kommercielt levedygtig løsning til at håndtere ulykker ude på havet. Zeng håber at arbejde sammen med industrielle partnere for at teste nanomolekylerne i meget større skala.

Usalt vand

Forskere ved IBN bruger også nanovidenskab til at fjerne salt fra havvand og tungmetaller fra forurenet vand.

Med svindende globale fersk- og grundvandsreserver, mange lande ser på afsaltning som en levedygtig kilde til drikkevand. Afsaltning forventes at dække 30 procent af vandbehovet i Singapore i 2060, hvilket vil betyde en tredobling af landets nuværende afsaltningskapacitet. Men afsaltning kræver et enormt energiforbrug og omvendt osmose, den almindelige teknologi, det afhænger af, har relativt høje omkostninger. Omvendt osmose virker ved at bruge ekstreme tryk til at presse vandmolekyler gennem tætstrikkede membraner.

En ny alternativ løsning efterligner den måde, proteiner er indlejret i cellemembraner på, kendt som aquaporiner, kanalisere vand ind og ud. Nogle forskergrupper har endda skabt membraner lavet af fede lipidmolekyler, der kan rumme naturlige aquaporiner. Zeng har udviklet en billigere og mere modstandsdygtig erstatning.

Hans byggeklodser består af spiralformede nudler med klæbrige ender, der forbindes for at danne lange spiraler. Vandmolekyler kan strømme gennem de 0,3 nanometer åbninger i midten af ​​spiralerne, men alle de andre positivt og negativt ladede ioner, der udgør saltvand, er for omfangsrige til at passere. Disse omfatter natrium, kalium, kalk, magnesium, klor og svovloxid. "I vand, alle disse ioner er meget hydrerede, knyttet til mange vandmolekyler, hvilket gør dem for store til at gå gennem kanalerne, " siger Zeng.

Teknologien kan føre til globale besparelser på op til 5 milliarder USD om året, siger Zeng, men først efter flere års test og justering af lipidmembranens kompatibilitet og stabilitet med nanospiralerne. "Dette er et stort fokus i min gruppe lige nu, " siger han. "Vi vil gerne have det her gjort, så vi kan reducere omkostningerne ved vandafsaltning til et acceptabelt niveau."

Stick og non-stick

Nanomaterialer tilbyder også en lav pris, effektiv og bæredygtig måde at filtrere giftige metaller fra drikkevandet.

Tungmetalniveauer i drikkevand er strengt reguleret på grund af de alvorlige sundhedsskader, stofferne kan forårsage. selv ved meget lave koncentrationer. Verdenssundhedsorganisationen kræver, at niveauer af bly, for eksempel, forblive under ti dele per milliard (ppb). At behandle vand til disse standarder er dyrt og ekstremt vanskeligt.

Zhang har udviklet et organisk stof fyldt med porer, der kan fange og fjerne giftige metaller fra vand til mindre end én ppb. Hver pore er ti til tyve nanometer bred og fyldt med forbindelser, kendt som aminer, der klæber til metallerne.

Udnytter det faktum, at aminer mister deres greb over metallerne under sure forhold, den værdifulde og begrænsede ressource kan genvindes af industrien, og polymererne genbruges.

Hemmeligheden bag succesen med Zhangs polymerer er det store overfladeareal, der er dækket af porerne, hvilket udmønter sig i flere muligheder for at interagere med og fange metallerne. "Andre materialer har et overfladeareal på omkring 100 kvadratmeter pr. gram, men vores er 1, 000 kvadratmeter pr gram, " siger Zhang. "Det er 10 gange højere."

Zhang testede sine nanoporøse polymerer på vand kontamineret med bly. Han dryssede en pulveriseret version af polymeren i en let alkalisk væske indeholdende tæt på 100 ppb bly. Inden for sekunder, blyniveauer reduceret til under 0,2 ppb. Lignende resultater blev observeret for cadmium, kobber og palladium. Vask af polymererne i syre frigjorde op til 93 procent af blyet.

Med mange virksomheder ivrige efter at skalere disse teknologier til applikationer i den virkelige verden, det varer ikke længe, ​​før nanovidenskab behandler Jorden for dens mange sygdomme.