Forskare i Sverige har utvecklat ett mer miljövänligt sätt att ta bort tungmetaller, färgämnen och andra föroreningar från vatten. Svaret ligger i att filtrera avloppsvatten med ett gelmaterial som tagits från växtcellulosa och spikat med små kolprickar producerade i en mikrovågsugn.

Rapportering i journalen Hållbara Marias och teknologier , forskare från Kungliga Tekniska Högskolan, i samarbete med Politecnico di Torino, konstruerade en mer hållbar teknik för att producera hydrogelkompositer, en typ av material som är väl undersökt för sanering av avloppsvatten.

Minna Hakkarainen, som leder avdelningen för polymerteknologi vid Kungliga Tekniska Högskolan, säger att hydrogelerna tar bort föroreningar som tungmetalljoner, färgämnen och andra vanliga föroreningar.

"Den totala mängden vatten på jorden förändras inte med tiden, men efterfrågan gör det, " säger hon. "Dessa hellignocellulosahydrogeler erbjuder en lovande, hållbar lösning för att säkerställa tillgång till rent vatten."

Hydrogelkompositerna kan tillverkas av 100 procent lignocellulosa, eller växtmaterial - den vanligaste bioresursen på jorden, hon säger.

En ingrediens är cellulosagummi (karboximetylcellulosa, eller CMC), ett förtjockningsmedel och emulsion som vanligen härrör från trämassa eller biprodukter från bomullsbearbetning och används i olika livsmedelsprodukter, inklusive glass. Till hydrogelen finns grafenoxidliknande kolprickar syntetiserade från biomassa med hjälp av mikrovågsvärme. Hydrogelkompositerna härdas sedan med UV-ljus, en mild process som sker i vatten i rumstemperatur.

Hydrogeler består av ett nätverk av polymerkedjor som inte bara absorberar vatten, men samlar också in molekyler och joner med hjälp av elektrostatiska interaktioner – en process som kallas adsorption. Hakkarainen säger att den nya processen också förstärker stabiliteten hos hydrogelkompositerna så att de kan överleva vanliga hydrogeler för upprepade cykler av vattenrening.

Grafenoxid har blivit en favorittillsats till denna blandning, på grund av dess höga adsorptionskapacitet, men miljökostnaden för produktion av grafenoxid är hög.

"Grafenoxid är en utmärkt adsorbent, men produktionsprocessen är hård, " säger hon. "Vår väg är baserad på vanliga biobaserade råvaror och betydligt mildare processer med mindre påverkan på miljön."

Grafen kommer från grafit, en kristallin form av kol som de flesta skulle känna igen som "bly" i pennor. I oxiderad form kan den användas i hydrogeler men oxidationsprocessen kräver hårda kemikalier och förhållanden. Syntetisering av grafen från biomassa kräver ofta temperaturer på upp till 1300C.

Däremot forskarna vid KTH hittade ett sätt att förkolna biomassa vid mycket lägre temperaturer. De reducerade natriumlignosulfat, en biprodukt från trämassaframställning, till kolflingor genom att värma den i vatten i en mikrovågsugn. Vattnet bringas till 240C, och den hålls vid den temperaturen i två timmar.

Efter en oxidationsprocess producerade de kolprickar på cirka 10 till 80 nanometer i diameter, som sedan blandas med den metakrylerade CMC och behandlas med UV-ljus för att bilda hydrogelen.

"Detta är en enkel, hållbart system, " säger Hakkarainen. "Det fungerar också, om inte bättre, än hydrogelsystem som för närvarande används."