In november 2015 Brazilië heeft een ongeëvenaarde milieuramp meegemaakt. Toen twee dammen braken in een ijzerertsmijn, een giftige cocktail van zware metalen werd in de Rio Doce gegoten, enkele dagen later de Atlantische Oceaan bereiken. De gevolgen waren verwoestend voor zowel de natuur als de mens:talloze vissen, vogels en dieren stierven, en een kwart miljoen mensen zaten zonder drinkwater.

Deze zaak toont aan dat watervervuiling een van de ernstigste mondiale problemen van vandaag is. Er is geen bevredigende technische oplossing gevonden voor de behandeling van water dat verontreinigd is met zware metalen of radioactieve stoffen. Bestaande methoden om water uit zware metalen te verwijderen, bijvoorbeeld, hebben verschillende nadelen:ofwel zijn ze te gericht op een specifiek element, ofwel is hun filtercapaciteit te klein; aanvullend, ze zijn vaak te duur.

Effectieve filtratie van zware metalen

Nutsvoorzieningen, mogelijk is er een oplossing gevonden in een nieuw type hybride filtermembraan ontwikkeld in het laboratorium van Raffaele Mezzenga, Hoogleraar voedsel en zachte materialen aan de ETH Zürich. Deze technologie heeft niet alleen een uiterst eenvoudige structuur, maar omvat ook goedkope grondstoffen, zoals wei-eiwitvezels en actieve kool. Zware metaalionen kunnen in slechts één keer door het filtermembraan bijna volledig uit het water worden verwijderd.

"Het project is een van de belangrijkste dingen die ik ooit heb gedaan, " zegt Mezzenga, enthousiast over de nieuwe ontwikkeling. Hij en zijn onderzoeker Sreenath Bolisetty waren de enigen die eraan werkten, en hun publicatie is zojuist in het tijdschrift verschenen Natuur Nanotechnologie .

Wei en actieve kool vereist

Het hart van het filtersysteem is een nieuw type hybride membraan dat bestaat uit actieve kool en taaie, stijve wei-eiwitvezels. De twee componenten zijn goedkoop te verkrijgen en eenvoudig te produceren.

Allereerst, de wei-eiwitten worden gedenatureerd, waardoor ze uitrekken, en komen uiteindelijk samen in de vorm van amyloïde fibrillen. Samen met actieve kool (die ook in medische houtskooltabletten zit), deze vezels worden aangebracht op een geschikt substraatmateriaal, zoals een cellulosefilterpapier. Het koolstofgehalte is 98%, met slechts 2% gemaakt door het eiwit.

Goudterugwinning dankzij het filtermembraan

Dit hybride membraan absorbeert verschillende zware metalen op een niet-specifieke manier, inclusief industrieel relevante elementen, zoals lood, kwik, goud en palladium. Echter, het absorbeert ook radioactieve stoffen, zoals uranium of fosfor-32, die relevant zijn voor nucleair afval of bepaalde kankertherapieën, respectievelijk.

Bovendien, het membraan verwijdert zeer giftige metaalcyaniden uit het water. Deze materiaalklasse omvat goudcyanide, die veel wordt gebruikt in de elektronica-industrie om geleidersporen op printplaten te produceren. Het membraan zorgt voor een eenvoudige manier om het goud eruit te filteren en terug te winnen, zo zou het filtersysteem ooit ook een belangrijke rol kunnen spelen bij het recyclen van goud. "De winst die wordt gegenereerd door het teruggewonnen goud is meer dan 200 keer de kosten van het hybride membraan, ', zegt Mezzenga.

Het filtratieproces is uiterst eenvoudig:verontreinigd water wordt door middel van vacuüm door het membraan gezogen. "Met een eenvoudige handpomp zou een voldoende sterk vacuüm kunnen worden geproduceerd, " zegt Mezzenga, "waardoor het systeem zonder elektriciteit zou kunnen werken." Verder, het systeem is bijna oneindig schaalbaar, waardoor zelfs grote hoeveelheden water kosteneffectief kunnen worden gefilterd.

Terwijl ze door het filter worden gezogen, de giftige stoffen 'kleven' vooral aan de eiwitvezels, die talrijke bindingsplaatsen hebben waar individuele metaalionen kunnen aanmeren. Echter, het grote oppervlak van de actieve kool kan ook grote hoeveelheden gifstoffen opnemen, waardoor de verzadigingsgrenzen van de membranen kunnen worden vertraagd. In aanvulling, de eiwitvezels verlenen het membraan mechanische sterkte en laten bij hoge temperaturen toe dat de gevangen ionen chemisch worden omgezet in waardevolle metalen nanodeeltjes.

Onovertroffen absorptievermogen

Mezzenga is enthousiast over de filtercapaciteit van het hybride membraan:in tests met kwikchloride bijvoorbeeld, de in het filtraat aanwezige kwikconcentratie daalde met meer dan 99,5%. De efficiëntie was zelfs nog hoger met een giftige kaliumgoudcyanideverbinding, waarbij 99,98% van de verbinding aan het membraan was gebonden, of met loodzouten, waar het rendement groter was dan 99,97%. En met radioactief uranium, 99,4% van de oorspronkelijke concentratie werd tijdens filtratie gebonden. "We hebben deze hoge waarden in slechts één keer bereikt, " benadrukt Bolisetty, co-auteur van de uitvinding.

Zelfs over meerdere passen, het hybride membraan filtert giftige stoffen met een hoge mate van betrouwbaarheid. Hoewel de kwikconcentratie in het filtraat na 10 passages met een factor 10 toenam van 0,4 ppm (parts per million) tot 4,2 ppm, de gebruikte hoeveelheid eiwit was extreem laag. Om een ​​halve liter vervuild water te filteren, de onderzoekers gebruikten een membraan van slechts een tiende van een gram, waarvan zeven gewichtsprocent bestond uit eiwitvezels. "Een kilo whey-eiwit zou genoeg zijn om 90.000 liter water te zuiveren, meer dan de hoeveelheid water die nodig is in een mensenleven, ", zegt de ETH-hoogleraar. Dit houdt ook in dat de efficiëntie verder kan worden verhoogd naar de gewenste eisen, door simpelweg het eiwitgehalte in het membraan te verhogen, hij voegt toe, benadrukt de flexibiliteit van deze nieuwe aanpak.

Veelbelovend potentieel

Mezzenga heeft er alle vertrouwen in dat zijn technologie zijn weg naar de markt zal vinden. "Er zijn talloze toepassingen voor, en water is een van de meest urgente problemen waarmee we vandaag worden geconfronteerd, " zegt hij in het licht van de stortvloed van modder die in Brazilië is ervaren. De ETH-professor heeft zijn technologie gepatenteerd en werd in maart van dit jaar genomineerd voor de ETH Zürich's Spark Award. omdat de wetenschappelijke publicatie een herzieningsproces van negen maanden moest ondergaan, pas nu kunnen Bolisetty en Mezzenga hun ontdekking openbaar maken.