Nanofibre fjerner vand for farlige farvestoffer:Forskere udvikler effektive filtre baseret på celluloseaffald

At bruge affald til at rense vand kan lyde kontraintuitivt. Men på TU Wien er det netop, hvad man nu har opnået. Forskere har udviklet en særlig nanostruktur til at filtrere en udbredt klasse af skadelige farvestoffer fra vand.

En afgørende komponent er et materiale, der betragtes som affald:brugt cellulose, for eksempel i form af renseklude eller papirkopper. Cellulose bruges til at belægge et fint nanostof for at skabe et effektivt filter til forurenet vand. Artiklen er offentliggjort i tidsskriftet Small Science .

Farvet gift i vandet

Organiske farvestoffer repræsenterer den største gruppe af syntetiske farvestoffer, herunder såkaldte azoforbindelser. De er meget udbredt i tekstilindustrien, selv i lande, hvor der er ringe opmærksomhed på miljøbeskyttelse, og farvestofferne ender ofte i ufiltreret spildevand.

"Dette er farligt, fordi sådanne farvestoffer nedbrydes meget langsomt, de kan blive i vandet i lang tid og udgøre stor fare for mennesker og natur," siger professor Günther Rupprechter fra Institut for Materialekemi ved TU Wien.

Der er forskellige materialer, der kan binde sådanne farvestoffer. Men det alene er ikke nok. "Hvis du blot lader det forurenede vand flyde over en filterfilm, der kan binde farvestoffer, er renseeffekten lav," forklarer Rupprechter.

"Det er meget bedre at skabe et nanostof ud af masser af små fibre og lade vandet sive igennem." Vandet kommer så i kontakt med et meget større overfladeareal, og dermed kan mange flere organiske farvestofmolekyler bindes.

Celluloseaffald som et nanofilter

"Vi arbejder med semi-krystallinsk nanocellulose, som kan fremstilles af affaldsmateriale," siger Qaisar Maqbool, førsteforfatter af undersøgelsen og postdoc i Rupprechters forskningsgruppe. "Metalholdige stoffer bruges ofte til lignende formål. Vores materiale er derimod fuldstændig uskadeligt for miljøet, og vi kan også fremstille det ved at genbruge returpapir."

Denne nano-cellulose "spundes" sammen med plasten polyacrylonitril til nanostrukturer. Dette kræver dog en masse tekniske færdigheder. Holdet fra TU Wien havde succes med en såkaldt elektrospinningsproces. I denne proces sprøjtes materialet i flydende form, dråberne lades elektrisk og sendes gennem et elektrisk felt.

"Dette sikrer, at væsken danner ekstremt fine tråde med en diameter på 180 til 200 nanometer under hærdning," siger Rupprechter. Disse tråde danner et fint væv med et højt overfladeareal - et såkaldt "nanoweb". Et netværk af tråde kan placeres på en kvadratcentimeter med et samlet overfladeareal på mere end 10 cm ² .

Vellykkede test

Testene med disse cellulose-coatede nanostrukturer var meget vellykkede:I tre cyklusser blev vand forurenet med violet farvestof renset, og 95% af farvestoffet blev fjernet. "Farvestofferne forbliver lagret i nanonettet. Du kan derefter enten bortskaffe hele nettet eller regenerere det, opløse de lagrede farvestoffer og genbruge filterstoffet," forklarer Rupprechter.

Der skal dog arbejdes mere:Evaluering af de mekaniske egenskaber af de sofistikerede nanowebs, udførelse af biokompatibilitetstests, vurdering af følsomhed over for mere komplekse forurenende stoffer og opnåelse af skalerbarhed til industristandarder.

Nu vil Rupprechter og hans forskerhold undersøge, hvordan denne farvefilterteknologi kan overføres til andre anvendelsesområder.

"Denne teknologi kunne også være meget interessant for det medicinske område," mener Rupprechter. "Dialyse skal for eksempel også filtrere meget specifikke kemiske stoffer fra en væske." Coatede nanostoffer kan være nyttige til sådanne applikationer.

Flere oplysninger: Qaisar Maqbool et al., Waste-Valorized Nanowebs for Crystal Violet Removal from Water, Small Science (2024). DOI:10.1002/smsc.202300286

Leveret af Vienna University of Technology