Zanieczyszczenie wody chemikaliami stosowanymi w dzisiejszej technologii to szybko rosnący problem na całym świecie. Niedawne badanie przeprowadzone przez amerykańskie Centers for Disease Control wykazało, że 98 procent przebadanych osób miało wykrywalne poziomy PFAS, rodziny szczególnie długotrwałych związków, znanych również jako wieczne chemikalia, we krwi.
Nowy materiał filtracyjny opracowany przez naukowców z MIT może stanowić rozwiązanie oparte na naturze tego uporczywego problemu zanieczyszczeń. Materiał, oparty na naturalnym jedwabiu i celulozie, może usuwać szeroką gamę tych uporczywych chemikaliów, a także metale ciężkie. Ponadto jego właściwości przeciwdrobnoustrojowe mogą pomóc w zapobieganiu zanieczyszczaniu filtrów.
Wyniki badań opisano w czasopiśmie ACS Nano, w artykule autorstwa Yilin Zhang, profesora inżynierii lądowej i środowiskowej Benedetto Marelli, a także czterech innych osób z MIT.
Chemikalia PFAS są obecne w szerokiej gamie produktów, w tym w kosmetykach, opakowaniach żywności, odzieży wodoodpornej, piankach przeciwpożarowych i powłokach antyadhezyjnych do naczyń kuchennych. Niedawne badanie zidentyfikowało 57 000 miejsc zanieczyszczonych tymi chemikaliami w samych Stanach Zjednoczonych. Amerykańska Agencja Ochrony Środowiska oszacowała, że remediacja PFAS będzie kosztować 1,5 miliarda dolarów rocznie, aby spełnić nowe przepisy, które wymagają ograniczenia tego związku do mniej niż 7 części na bilion w wodzie pitnej.
Zanieczyszczenie PFAS i podobnymi związkami „to w rzeczywistości bardzo poważna sprawa, a obecne rozwiązania mogą rozwiązać ten problem tylko częściowo, bardzo wydajnie lub ekonomicznie”, mówi Zhang. „Dlatego opracowaliśmy to w pełni naturalne rozwiązanie na bazie białka i celulozy”, mówi.
„Do projektu trafiliśmy przypadkiem” – zauważa Marelli. Początkowa technologia, która umożliwiła stworzenie materiału filtracyjnego, została opracowana przez jego grupę w zupełnie innym celu – jako sposób na stworzenie systemu etykietowania, który przeciwdziałałby rozprzestrzenianiu się podrobionych nasion, które często są gorszej jakości. Jego zespół opracował sposób przetwarzania białek jedwabiu w jednolite kryształy w skali nano, czyli „nanofibryle”, za pomocą przyjaznej dla środowiska, wodnej metody odlewania kropelkowego w temperaturze pokojowej.
Zhang zasugerował, że ich nowy materiał nanofibrylarny może być skuteczny w filtrowaniu zanieczyszczeń, ale początkowe próby z samymi nanofibrylami jedwabiu nie zadziałały. Zespół postanowił spróbować dodać inny materiał: celulozę, która jest powszechnie dostępna i można ją uzyskać z odpadów z celulozy drzewnej. Naukowcy zastosowali metodę samoorganizacji, w której białko fibroiny jedwabiu jest zawieszone w wodzie, a następnie szablonowane do nanowłókien poprzez wstawianie „nasion” nanokryształów celulozy. Powoduje to, że wcześniej nieuporządkowane cząsteczki jedwabiu ustawiają się wzdłuż nasion, tworząc podstawę hybrydowego materiału o odrębnych nowych właściwościach.
Poprzez zintegrowanie celulozy z fibrylami na bazie jedwabiu, które mogły zostać uformowane w cienką membranę, a następnie dostrojenie ładunku elektrycznego celulozy, naukowcy stworzyli materiał, który w testach laboratoryjnych wykazał się wysoką skutecznością w usuwaniu zanieczyszczeń.
Odkryli, że ładunek elektryczny celulozy nadaje jej również silne właściwości przeciwdrobnoustrojowe. Jest to znacząca zaleta, ponieważ jedną z głównych przyczyn awarii membran filtracyjnych jest zanieczyszczenie bakteriami i grzybami. Właściwości przeciwdrobnoustrojowe tego materiału powinny znacznie zmniejszyć problem zanieczyszczeń, twierdzą naukowcy.
„Materiały te mogą naprawdę konkurować z obecnymi standardowymi materiałami w filtracji wody, jeśli chodzi o ekstrakcję jonów metali i tych pojawiających się zanieczyszczeń, a także mogą przewyższyć niektóre z nich obecnie” — mówi Marelli. W testach laboratoryjnych materiały były w stanie wyekstrahować rzędy wielkości więcej zanieczyszczeń z wody niż obecnie stosowane standardowe materiały, węgiel aktywowany lub granulowany węgiel aktywowany.
Podczas gdy nowa praca służy jako dowód zasady, mówi Marelli, zespół planuje kontynuować pracę nad udoskonaleniem materiału, szczególnie pod względem trwałości i dostępności materiałów źródłowych. Podczas gdy białka jedwabiu mogą być dostępne jako produkt uboczny przemysłu tekstylnego jedwabiu, jeśli ten materiał miałby zostać skalowany w celu zaspokojenia globalnego zapotrzebowania na filtrację wody, jego podaż może być niewystarczająca. Ponadto alternatywne materiały białkowe mogą okazać się w stanie pełnić tę samą funkcję przy niższych kosztach.
Początkowo materiał prawdopodobnie będzie używany jako filtr punktowy, coś, co można przymocować do kranu kuchennego, mówi Zhang. Ostatecznie można go będzie skalować, aby zapewnić filtrację dla miejskich wodociągów, ale dopiero po tym, jak testy wykażą, że nie będzie to stwarzać ryzyka wprowadzenia zanieczyszczeń do wodociągów. Ale jedną z największych zalet tego materiału, mówi, jest to, że zarówno jedwab, jak i składniki celulozy są uważane za substancje spożywcze, więc jakiekolwiek zanieczyszczenie jest mało prawdopodobne.
„Większość dostępnych obecnie normalnych materiałów koncentruje się na jednej klasie zanieczyszczeń lub rozwiązuje pojedyncze problemy” — mówi Zhang. „Myślę, że jesteśmy jednymi z pierwszych, którzy zajmują się wszystkimi tymi problemami jednocześnie”.
Zespół badawczy składał się z postdoktorantów MIT Hui Sun i Meng Li, studenta Maxwella Kalinowskiego i niedawnego absolwenta Yunteng Cao PhD '22, obecnie postdoktoranta na Yale. Prace były wspierane przez Office of Naval Research, National Science Foundation i Singapore-MIT Alliance for Research and Technology.