11.09.2024

Новый фильтрующий материал может удалять из воды стойкие химикаты

Мембраны на основе натурального шелка и целлюлозы способны удалять многие загрязняющие вещества, включая «вечные химикаты» и тяжелые металлы.

Загрязнение воды химикатами, используемыми в современных технологиях, является быстро растущей проблемой во всем мире. Недавнее  исследование Центров по контролю и профилактике заболеваний США показало, что у 98 процентов обследованных людей в крови были обнаружены уровни ПФАС, семейства особо стойких соединений, также известных как «вечные химикаты».

Новый фильтрующий материал, разработанный исследователями Массачусетского технологического института, может стать натуральным решением этой стойкой проблемы загрязнения. Материал на основе натурального шелка и целлюлозы может удалять широкий спектр этих стойких химикатов, а также тяжелые металлы. А его антимикробные свойства могут помочь предотвратить загрязнение фильтров.

Результаты исследования описаны в журнале ACS Nano , в статье постдокторанта Массачусетского технологического института Илиня Чжана, профессора гражданского и экологического строительства Бенедетто Марелли и четырех других ученых из Массачусетского технологического института.

Химикаты PFAS присутствуют в широком спектре продуктов, включая косметику, упаковку для пищевых продуктов, водостойкую одежду, пены для пожаротушения и антипригарное покрытие для посуды. Недавнее исследование выявило 57 000 мест, загрязненных этими химикатами только в США. Агентство по охране окружающей среды США подсчитало, что очистка от PFAS обойдется в 1,5 миллиарда долларов в год, чтобы соответствовать  новым правилам , которые требуют ограничения содержания этого соединения до менее 7 частей на триллион в питьевой воде.

Загрязнение ПФАС и подобными соединениями «на самом деле очень серьезное дело, и существующие решения могут лишь частично решить эту проблему очень эффективно или экономично», — говорит Чжан. «Вот почему мы придумали это полностью натуральное решение на основе белка и целлюлозы», — говорит он.

«Мы пришли к проекту случайно», — отмечает Марелли. Первоначальная технология, которая сделала возможным создание фильтрующего материала, была разработана его группой для совершенно другой цели — как способ создания системы маркировки для противодействия распространению поддельных семян, которые часто имеют низкое качество. Его команда разработала способ переработки шелковых белков в однородные наноразмерные кристаллы, или «нанофибриллы», с помощью экологически безопасного метода литья капель на водной основе при комнатной температуре.

Чжан предположил, что их новый нанофибриллярный материал может быть эффективным для фильтрации загрязняющих веществ, но первоначальные попытки с использованием одних только нанофибрилл шелка не сработали. Команда решила попробовать добавить другой материал: целлюлозу, которая широко доступна и может быть получена из сельскохозяйственных отходов древесной массы. Исследователи использовали метод самосборки, при котором белок фиброина шелка суспендируется в воде, а затем шаблонизируется в нанофибриллы путем вставки «семян» нанокристаллов целлюлозы. Это заставляет ранее неупорядоченные молекулы шелка выстраиваться вместе вдоль семян, формируя основу гибридного материала с новыми отличительными свойствами.

Интегрировав целлюлозу в фибриллы на основе шелка, которые можно было сформировать в тонкую мембрану, а затем настроив электрический заряд целлюлозы, исследователи создали материал, который оказался весьма эффективным при удалении загрязнений в лабораторных испытаниях.

Они обнаружили, что электрический заряд целлюлозы также придает ей сильные антимикробные свойства. Это существенное преимущество, поскольку одной из основных причин выхода из строя фильтрационных мембран является загрязнение бактериями и грибками. Антимикробные свойства этого материала должны значительно снизить проблему загрязнения, говорят исследователи.

«Эти материалы действительно могут конкурировать с текущими стандартными материалами в фильтрации воды, когда дело доходит до извлечения ионов металлов и этих новых загрязняющих веществ, и они также могут превзойти некоторые из них в настоящее время», — говорит Марелли. В лабораторных испытаниях материалы смогли извлечь на порядки больше загрязняющих веществ из воды, чем используемые в настоящее время стандартные материалы, активированный уголь или гранулированный активированный уголь.

Марелли говорит, что новая работа служит доказательством принципа, но команда планирует продолжить работу над улучшением материала, особенно с точки зрения долговечности и доступности исходных материалов. Хотя используемые протеины шелка могут быть доступны как побочный продукт шелковой текстильной промышленности, если бы этот материал был масштабирован для удовлетворения глобальных потребностей в фильтрации воды, поставки могли бы быть недостаточными. Кроме того, альтернативные протеиновые материалы могут оказаться способными выполнять ту же функцию по более низкой цене.

Первоначально материал, скорее всего, будет использоваться в качестве фильтра в точке использования, что-то, что можно будет прикрепить к кухонному крану, говорит Чжан. В конечном итоге его можно будет масштабировать для обеспечения фильтрации для муниципального водоснабжения, но только после того, как испытания покажут, что это не будет представлять никакого риска внесения какого-либо загрязнения в водоснабжение. Но одно большое преимущество материала, говорит он, заключается в том, что и шелк, и целлюлозные компоненты считаются пищевыми веществами, поэтому любое загрязнение маловероятно.

«Большинство обычных материалов, доступных сегодня, фокусируются на одном классе загрязняющих веществ или решают одну проблему», — говорит Чжан. «Я думаю, мы одни из первых, кто решает все это одновременно».

«Что мне нравится в этом подходе, так это то, что он использует только натурально выращенные материалы, такие как шелк и целлюлоза, для борьбы с загрязнением», — говорит Ханнес Шнипп, профессор прикладных наук в Колледже Уильяма и Марии, который не был связан с этой работой. «В конкурирующих подходах используются синтетические материалы, которые обычно требуют только большего количества химии для борьбы с некоторыми неблагоприятными последствиями, которые химия произвела. [Эта работа] разрывает этот цикл! ... Если это можно будет производить массово экономически выгодным способом, это действительно может оказать большое влияние».

В состав исследовательской группы вошли постдокторанты MIT Хуэй Сан и Мэн Ли, аспирант Максвелл Калиновски и недавний выпускник Юньтен Цао PhD '22, ныне постдок Йельского университета. Работа была поддержана Управлением военно-морских исследований США, Национальным научным фондом США и Альянсом Сингапура и MIT по исследованиям и технологиям.

Дэвид Л. Чандлер