Wetenschappers van de Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore), hebben in samenwerking met ETH Zürich, Zwitserland (ETHZ), een membraan gemaakt van een afvalbijproduct van de productie van plantaardige olie dat zware metalen uit verontreinigd water kan filteren.

Het onderzoeksteam, geleid door professor Ali Miserez van de School of Materials Science &Engineering en de School of Biological Sciences en NTU Visiting Professor Raffaele Mezzenga van het Department of Health Science and Technology van ETHZ, ontdekte dat eiwitten afkomstig van de bijproducten van De productie van pinda- of zonnebloemolie kan zeer effectief zware metaalionen aantrekken.

In tests toonden ze aan dat dit aantrekkingsproces, adsorptie genaamd, in staat was om verontreinigd water te zuiveren tot een niveau dat voldoet aan de internationale drinknormen.

Het membraan van de onderzoekers heeft de potentie om een ​​goedkope, energiezuinige, duurzame en schaalbare methode te zijn om zware metalen uit water te decontamineren.

Prof. Miserez zei:"Watervervuiling blijft een groot mondiaal probleem in veel delen van de wereld. Zware metalen vertegenwoordigen een grote groep waterverontreinigende stoffen die zich in het menselijk lichaam kunnen ophopen en kanker en mutagene ziekten kunnen veroorzaken. De huidige technologieën om ze te verwijderen zijn energie -intensief, hebben stroom nodig om te werken, of zijn zeer selectief in wat ze filteren."

"Onze op eiwitten gebaseerde membranen zijn gemaakt via een groen en duurzaam proces en hebben weinig tot geen stroom nodig om te werken, waardoor ze levensvatbaar zijn voor gebruik over de hele wereld en vooral in minder ontwikkelde landen. Ons werk plaatst zware metalen waar het thuishoort - als een muziekgenre en niet een vervuiler in drinkwater," zei Prof. Miserez.

De onderzoeksresultaten van het team zijn gepubliceerd in het Chemical Engineering Journal in april. Hun onderzoeksfocus om waterveiligheid tot stand te brengen, is in lijn met het strategisch plan NTU 2025 en het doel van de universiteit om de impact van de mensheid op het milieu te verminderen.

Plantaardige oliehoudende zaden omzetten in waterfilters

De productie van commerciële huishoudelijke plantaardige oliën genereert afvalbijproducten die oliezaadmeel worden genoemd. Dit zijn de eiwitrijke restjes die overblijven nadat de olie uit de rauwe plant is gehaald.

Het door NTU geleide onderzoeksteam gebruikte de oliezaadmaaltijden van twee veel voorkomende plantaardige oliën, zonnebloem- en pindaolie. Na het extraheren van de eiwitten uit oliezaadmaaltijden, veranderde het team ze in amyloïde fibrillen van nanoformaat, dit zijn touwachtige structuren gemaakt van strak gewonden eiwitten. Deze eiwitfibrillen worden aangetrokken door zware metalen en werken als een moleculaire zeef, waarbij zware metaalionen worden opgevangen terwijl ze passeren.

Een kilo oliezaadmeel levert ongeveer 160 g eiwit op.

De eerste auteur van het papier, NTU Ph.D. student Mr. Soon Wei Long, zei:"Eiwitrijke zonnebloem- en pindamaaltijden zijn goedkope grondstoffen, waaruit eiwitten kunnen worden gewonnen, geïsoleerd en zelf-geassembleerd tot functionele amyloïde fibrillen voor het verwijderen van zware metalen. Dit is de eerste tijd amyloïde fibrillen zijn verkregen uit zonnebloem- en pinda-eiwitten."

De onderzoekers combineerden de geëxtraheerde amyloïde fibrillen met actieve kool - een veelgebruikt filtratiemateriaal - om een ​​hybride membraan te vormen. Ze testten hun membranen op drie veelvoorkomende verontreinigende stoffen van zware metalen:platina, chroom en lood.

Terwijl verontreinigd water door het membraan stroomt, plakken de zware metaalionen op het oppervlak van de amyloïde fibrillen - een proces dat adsorptie wordt genoemd. De hoge oppervlakte-tot-volumeverhouding van amyloïde fibrillen maakt ze efficiënt in het adsorberen van een grote hoeveelheid zware metalen.

Het team ontdekte dat hun membranen tot 99,89% van de zware metalen filterden. Van de drie geteste metalen was het filter het meest effectief voor lood en platina, gevolgd door chroom.

"Het filter kan worden gebruikt om alle soorten zware metalen te filteren, en ook organische verontreinigende stoffen zoals PFAS (perfluoralkyl- en polyfluoralkylstoffen), die chemicaliën zijn die zijn gebruikt in een breed scala aan consumenten- en industriële producten", zei prof. Miserez. "De amyloïde fibrillen bevatten aminozuurbindingen die zware metaaldeeltjes ertussen vangen en vastklemmen terwijl ze water doorlaten."

De onderzoekers zeggen dat de concentratie van zware metalen in verontreinigd water zal bepalen hoeveel water het membraan kan filteren. Een hybride membraan gemaakt met zonnebloemproteïne-amyloïden heeft slechts 16 kg eiwit nodig om het equivalente volume van een zwembad van Olympische afmetingen dat is verontreinigd met 400 delen per miljard (ppb) lood, in drinkwater te filteren.

"Het proces is gemakkelijk schaalbaar vanwege de eenvoud en het minimale gebruik van chemische reagentia, wat wijst op duurzame en goedkope waterbehandelingstechnologieën", aldus dhr. Soon. "Dit stelt ons in staat om afvalstromen opnieuw te verwerken voor verdere toepassingen en om verschillende industriële voedselverspillingen volledig te benutten tot nuttige technologieën.

De ingesloten metalen kunnen ook worden geëxtraheerd en verder worden gerecycled. Na filtratie kan het membraan dat wordt gebruikt om de metalen op te vangen eenvoudig worden verbrand, waarbij de metalen achterblijven.

"Hoewel metalen zoals lood of kwik giftig zijn en veilig kunnen worden weggegooid, hebben andere metalen, zoals platina, waardevolle toepassingen bij het maken van elektronica en andere gevoelige apparatuur", zegt prof. Miserez.

"Voor het terugwinnen van kostbaar platina, dat 33.000 dollar per kg kost, is slechts 32 kg eiwit nodig, terwijl het terugwinnen van goud, dat bijna 60.000 dollar per kg waard is, slechts 16 kg eiwit vereist. met een waarde van minder dan US$ 1/kg, zijn er grote kostenvoordelen."

Duurzame, energiezuinige filtratie

De co-auteur van het artikel, prof. Raffaele Mezzenga, had eerder in 2016 ontdekt dat wei-eiwitten afkomstig van de melk van koeien vergelijkbare metaalaantrekkende eigenschappen hadden.

De onderzoekers realiseerden zich dat eiwitten uit plantaardig oliezaadmeel ook vergelijkbare eigenschappen kunnen hebben. Hun experimenten toonden aan dat die eiwitten niet alleen net zo effectief waren, maar ook goedkoper en duurzamer omdat het afval opslorpt dat anders zou worden weggegooid of gebruikt als voedsel voor diervoeder.

Een ander groot voordeel, zeggen de onderzoekers, is dat deze filtratie weinig of geen energie vereist, in tegenstelling tot andere methoden zoals omgekeerde osmose waarvoor elektriciteit nodig is.

"Met ons membraan doet de zwaartekracht het meeste of al het werk", zegt prof. Mezzenga. "Deze energiezuinige filtratiemethode kan erg handig zijn in gebieden waar er beperkte toegang tot elektriciteit en stroom is." + Verder verkennen

Filtermembraan maakt virussen onschadelijk