Nanotechnologie heeft zich het afgelopen decennium enorm ontwikkeld en heeft veel nieuwe materialen kunnen creëren met een breed scala aan potentiële toepassingen. Koolstofnanobuisjes zijn een voorbeeld van deze nieuwe materialen en bestaan ​​uit cilindrische koolstofmoleculen met een diameter van enkele nanometers – één nanometer is een miljoenste millimeter. Koolstofnanobuisjes beschikken over uitzonderlijke elektronische, mechanische en chemische eigenschappen, ze kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om vervuild water te reinigen. Wetenschappers van de Universiteit van Wenen hadden dit nieuwe onderzoek onlangs gepubliceerd in Milieuwetenschap en -technologie .

Onder de vele mogelijke toepassingen, koolstofnanobuisjes zijn geweldige kandidaatmaterialen voor het reinigen van vervuild water. Veel waterverontreinigende stoffen hebben een zeer hoge affiniteit voor koolstofnanobuisjes en verontreinigende stoffen kunnen uit verontreinigd water worden verwijderd door filters van dit nanomateriaal, bijvoorbeeld in water oplosbare medicijnen die door actieve kool nauwelijks van water kunnen worden gescheiden. Problemen als gevolg van verzadiging van filters kunnen worden verminderd omdat koolstofnanobuisjes een zeer groot oppervlak hebben (bijv. ² per gram nanobuisje) en bijgevolg een zeer hoog vermogen om verontreinigende stoffen vast te houden. "Onderhoud en afval in verband met waterzuivering kunnen zo worden verminderd", zegt Thilo Hofmann, Vicedecaan van de Faculteit Aardwetenschappen, Aardrijkskunde en astronomie van de Universiteit van Wenen.

De ecologische duurzaamheid van koolstofnanobuisjes beoordelen

Het afgelopen decennium is veel onderzoek gericht geweest op koolstofnanobuisjes. Echter, de uitzonderlijke eigenschappen van koolstofnanobuisjes maken ze moeilijk te bestuderen. Standaardmethoden geven beperkte resultaten en het gedrag van koolstofnanobuisjes in realistische omstandigheden is nog steeds slecht begrepen. "Innovatieve technologieën hebben altijd voor- en nadelen voor de kwaliteit van mens en milieu en een goed begrip van de interacties tussen verontreinigingen en koolstofnanobuisjes en hoe koolstofnanobuisjes zich in het milieu gedragen, is essentieel voordat ze in filters kunnen worden gebruikt", legt Mélanie Kah uit, die samen met Xiaoran Zhang onderzoek doet naar dit project.

Een team van onderzoekers van de afdeling Environmental Geosciences van de Universiteit van Wenen doet momenteel onderzoek naar het onderwerp. Ze ontwikkelden een methode genaamd "passive sampling". Gegevens die met deze nieuwe methode worden geproduceerd, zijn veel betrouwbaarder voor realistische toepassingen, omdat ze concentraties bevatten die waarschijnlijk in het milieu kunnen voorkomen (in het algemeen zeer laag). Dit was niet mogelijk met klassieke methoden die alleen met verhoogde concentraties kunnen omgaan.

De experimenten die nu in het internationaal erkende tijdschrift zijn gepubliceerd Milieuwetenschap en -technologie duurde meer dan een jaar. Eerst, de "passieve bemonsteringsmethode" is ontwikkeld waarmee de affiniteit van een categorie kankerverwekkende verontreinigingen - d.w.z. polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK's) - voor koolstofnanobuisjes kan worden gemeten. "Een reeks tests die analytische chemie en elektronenmicroscopie gebruiken, zijn uitgevoerd met medewerkers van de Universiteit van Utrecht in Nederland, om ervoor te zorgen dat de methode geschikt is, betrouwbaar en geoptimaliseerd voor koolstofnanobuisjes", illustreert Thilo Hofmann. Eenmaal gevalideerd, de "passieve bemonsteringsmethode" werd gebruikt om de affiniteit (absorptie en adsorptie) van verschillende verontreinigingen (PAK's) voor koolstofnanobuisjes over een zeer breed concentratiebereik te meten.

Verontreinigingen vechten om een ​​plaats op koolstofnanobuisjes

Een ander aspect dat de wetenschappers van het Departement Milieu-Geowetenschappen onderzochten, is het fenomeen concurrentie tussen contaminanten. Veel chemicaliën komen vaak naast elkaar voor in het milieu, vooral in vervuilde wateren. Als er concurrentie is, het betekent dat een verontreiniging zich mogelijk niet hecht aan koolstofnanobuisjes als er betere concurrenten naast elkaar bestaan. Concurrentie is niet acceptabel voor filtertoepassing, aangezien de werkzaamheid van het filter zal variëren afhankelijk van de hoeveelheid en het type aanwezige verontreinigingen. Het bestuderen van concurrentie levert ook informatie op over de mechanismen van sorptie.

Het gebruik van klassieke technieken met relatief hoge concentraties toonde aan dat de concurrentie erg sterk kan zijn wanneer drie PAK's naast koolstofnanobuisjes bestaan. Omgekeerd, experimenten met de "passieve bemonsteringsmethode" bij concentraties die waarschijnlijk in het milieu voorkomen, toonden aan dat er geen concurrentie optreedt als 13 PAK's samen worden beschouwd. Dit voorbeeld benadrukt het belang van het ontwikkelen en gebruiken van experimentele methoden om resultaten te produceren die relevant zijn voor de omgevingsomstandigheden. Er zijn nog veel vragen te beantwoorden om het potentieel van koolstofnanobuisjes om vervuild water te reinigen volledig te evalueren. "We blijven aan het onderwerp werken en de resultaten van onze laatste experimenten zullen binnenkort worden gepresenteerd op internationale conferenties", concludeert de milieu-geoloog, Thilo Hofmann.