Forskare från Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore), i samarbete med ETH Zürich, Schweiz (ETHZ), har skapat ett membran tillverkat av en avfallsbiprodukt från tillverkning av vegetabilisk olja som kan filtrera bort tungmetaller från förorenat vatten.

Forskargruppen, ledd av professor Ali Miserez från School of Materials Science &Engineering och School of Biological Sciences och NTU gästprofessor Raffaele Mezzenga från institutionen för hälsovetenskap och teknik vid ETHZ, upptäckte att proteiner som härrör från biprodukter från jordnöts- eller solrosolja kan attrahera tungmetalljoner mycket effektivt.

I tester visade de att denna attraktionsprocess, kallad adsorption, kunde rena förorenat vatten i en grad som uppfyller internationella dricksstandarder.

Forskarnas membran har potential att vara en billig, energisnål, hållbar och skalbar metod för att dekontaminera tungmetaller från vatten.

Prof. Miserez sa:"Vattenföroreningar är fortfarande ett stort globalt problem i många delar av världen. Tungmetaller representerar en stor grupp vattenföroreningar som kan ackumuleras i människokroppen och orsaka cancer och mutagena sjukdomar. Nuvarande teknik för att ta bort dem är energi. -intensiva, kräver ström för att fungera, eller är mycket selektiva i vad de filtrerar."

"Våra proteinbaserade membran skapas genom en grön och hållbar process och kräver liten eller ingen kraft för att köras, vilket gör dem livskraftiga för användning över hela världen och särskilt i mindre utvecklade länder. Vårt arbete placerar tungmetall där den hör hemma - som en musikgenren och inte en förorening i dricksvattnet, säger prof. Miserez.

Teamets forskningsresultat publicerades i Chemical Engineering Journal i april. Deras forskningsfokus för att åstadkomma vattensäkerhet är i linje med NTU 2025:s strategiska plan och universitetets mål att mildra mänsklighetens påverkan på miljön.

Omvandla vegetabiliska oljefrömåltider till vattenfilter

Produktionen av kommersiella vegetabiliska hushållsoljor genererar avfallsbiprodukter som kallas oljefrömjöl. Dessa är de proteinrika resterna som blir kvar efter att oljan har extraherats från den råa växten.

Det NTU-ledda forskarteamet använde oljefrömåltiderna från två vanliga vegetabiliska oljor, solros- och jordnötsoljor. Efter att ha extraherat proteinerna från oljefrömåltider förvandlade teamet dem till proteinamyloidfibriller i nanostorlek, som är repliknande strukturer gjorda av tätt lindade proteiner. Dessa proteinfibriller dras till tungmetaller och fungerar som en molekylsikt som fångar tungmetalljoner när de passerar.

Ett kilo oljefrömjöl producerar cirka 160 g protein.

Tidningens första författare, NTU Ph.D. Student Mr. Soon Wei Long, sa:"Proteinrika solros- och jordnötsmåltider är billiga råvaror, från vilka protein kan extraheras, isoleras och självmonteras till funktionella amyloidfibriller för borttagning av tungmetaller. Detta är den första tid amyloidfibriller har erhållits från solros- och jordnötsproteiner."

Forskarna kombinerade de extraherade amyloidfibrillerna med aktivt kol - ett vanligt använt filtreringsmaterial - för att bilda ett hybridmembran. De testade sina membran på tre vanliga tungmetallföroreningar:platina, krom och bly.

När förorenat vatten strömmar genom membranet fastnar tungmetalljonerna på ytan av amyloidfibrillerna - en process som kallas adsorption. Det höga förhållandet mellan yta och volym av amyloidfibriller gör dem effektiva när det gäller att adsorbera en stor mängd tungmetaller.

Teamet fann att deras membran filtrerade upp till 99,89% av tungmetallerna. Bland de tre metallerna som testades var filtret mest effektivt för bly och platina, följt av krom.

"Filtret kan användas för att filtrera alla typer av tungmetaller, och även organiska föroreningar som PFAS (perfluoroalkyl och polyfluoroalkylsubstanser), som är kemikalier som har använts i ett brett spektrum av konsument- och industriprodukter", säger Prof. Miserez. "Amyloidfibrillerna innehåller aminosyrabindningar som fångar och lägger tungmetallpartiklar mellan dem samtidigt som de låter vatten passera igenom."

Forskarna säger att koncentrationen av tungmetaller i förorenat vatten kommer att avgöra hur mycket vatten membranet kan filtrera bort. Ett hybridmembran tillverkat av solrosproteinamyloider kommer att kräva endast 16 kg protein för att filtrera motsvarande volym av en simbassäng av olympisk storlek som är förorenad med 400 delar per miljard (ppb) bly i dricksvatten.

"Processen är lätt skalbar på grund av dess enkelhet och minimala användning av kemiska reagenser, vilket pekar mot hållbara och billiga vattenbehandlingstekniker", säger Mr. Soon. "Detta gör att vi kan ombearbeta avfallsströmmar för ytterligare tillämpningar och att till fullo utnyttja olika industriella matavfall till nyttiga teknologier.

De fångade metallerna kan också utvinnas och återvinnas ytterligare. Efter filtrering kan membranet som används för att fånga metallerna helt enkelt brännas och lämna kvar metallerna.

"Medan metaller som bly eller kvicksilver är giftiga och kan kasseras på ett säkert sätt, har andra metaller, som platina, värdefulla tillämpningar för att skapa elektronik och annan känslig utrustning", säger prof. Miserez.

"Att återvinna dyrbar platina, som kostar 33 000 USD/kg, kräver bara 32 kg protein, medan guld, som är värt nästan 60 000 USD/kg, bara kräver 16 kg protein. Med tanke på att dessa proteiner kommer från industriavfall som är värda mindre än 1 USD/kg finns det stora kostnadsfördelar."

Hållbar filtrering med låg effekt

Tidningens medförfattare, Prof. Raffaele Mezzenga, hade tidigare upptäckt 2016 att vassleproteiner från kors mjölk hade liknande metallattraherande egenskaper.

Forskarna insåg att proteiner från vegetabiliskt oljefrömjöl också kunde ha liknande egenskaper. Deras experiment visade att dessa proteiner inte bara var lika effektiva, utan också billigare och mer hållbara eftersom de förbrukar avfall som annars skulle kasseras eller användas som livsmedel för djurfoder.

En annan stor fördel, säger forskarna, är att denna filtrering kräver lite eller ingen energi, till skillnad från andra metoder som omvänd osmos som kräver elektricitet.

"Med vårt membran gör tyngdkraften det mesta eller hela arbetet", säger Prof. Mezzenga. "Denna lågeffektfiltreringsmetod kan vara mycket användbar i områden där det kan vara begränsad tillgång till el och kraft." + Utforska vidare

Filtermembran gör virus ofarliga