I november 2015, Brasilien upplevde en oöverträffad miljökatastrof. När två dammar brast vid en järnmalmsgruva, en giftig cocktail av tungmetaller strömmade in i Rio Doce, nådde Atlanten några dagar senare. Konsekvenserna var förödande för både naturen och människorna:otaliga fiskar, fåglar och djur dog, och en kvarts miljon människor lämnades utan dricksvatten.

Detta fall visar att vattenföroreningar är ett av dagens allvarligaste globala problem. Ingen tillfredsställande teknisk lösning har hittats för rening av vatten förorenat med tungmetaller eller radioaktiva ämnen. Befintliga metoder som används för att avlägsna vatten från tungmetaller, till exempel, har flera nackdelar:antingen är de för inriktade på ett specifikt element eller så är deras filterkapacitet för liten; dessutom, de är ofta för dyra.

Effektiv filtrering av tungmetaller

Nu, en lösning kan ha hittats i en ny typ av hybridfiltermembran som utvecklats i Raffaele Mezzengas laboratorium, Professor i mat och mjuka material vid ETH Zürich. Denna teknik har inte bara en extremt enkel struktur, men innehåller också lågkostnadsråvaror, såsom vassleproteinfibrer och aktivt kol. Tungmetalljoner kan nästan helt avlägsnas från vattnet på bara en enda passage genom filtermembranet.

"Projektet är en av de viktigaste sakerna jag kan ha gjort, säger Mezzenga, entusiastisk över den nya utvecklingen. Han och hans forskare Sreenath Bolisetty var de enda som arbetade med det, och deras publicering har precis dykt upp i tidskriften Naturens nanoteknik .

Vassle och aktivt kol krävs

I hjärtat av filtreringssystemet finns en ny typ av hybridmembran som består av aktivt kol och seg, styva vassleproteinfibrer. De två komponenterna är billiga att få tag på och enkla att tillverka.

För det första, vassleproteinerna är denaturerade, vilket får dem att sträcka sig, och slutligen kommer samman i form av amyloidfibriller. Tillsammans med aktivt kol (som också finns i medicinska koltabletter), dessa fibrer appliceras på ett lämpligt substratmaterial, såsom ett cellulosafilterpapper. Kolhalten är 98%, med bara 2% består av proteinet.

Guldåtervinning tack vare filtermembranet

Detta hybridmembran absorberar olika tungmetaller på ett ospecifikt sätt, inklusive industriellt relevanta element, som bly, kvicksilver, guld och palladium. Dock, det absorberar också radioaktiva ämnen, såsom uran eller fosfor-32, som är relevanta i kärnavfall eller vissa cancerterapier, respektive.

Dessutom, membranet eliminerar mycket giftiga metallcyanider från vatten. Denna klass av material inkluderar guldcyanid, som används allmänt inom elektronikindustrin för att producera ledarspår på kretskort. Membranet ger ett enkelt sätt att filtrera bort och återvinna guldet, så filtersystemet kan en dag spela en viktig roll även i guldåtervinningen. "Vinsten som genereras av det återvunna guldet är mer än 200 gånger kostnaden för hybridmembranet, säger Mezzenga.

Filtreringsprocessen är extremt enkel:förorenat vatten sugs genom membranet med vakuum. "Ett tillräckligt starkt vakuum skulle kunna produceras med en enkel handpump, säger Mezzenga, "vilket skulle tillåta systemet att drivas utan el." Vidare, systemet är nästan oändligt skalbart, gör att även stora volymer vatten kan filtreras kostnadseffektivt.

När de dras genom filtret, de giftiga ämnena "fastnar" i första hand till proteinfibrerna, som har många bindningsställen där enskilda metalljoner kan docka. Dock, det aktiva kolets stora yta kan också absorbera stora mängder toxiner, vilket gör det möjligt att fördröja membranens mättnadsgränser. Dessutom, proteinfibrerna ger mekanisk styrka till membranet och vid höga temperaturer tillåter de fångade jonerna att kemiskt omvandlas till värdefulla metalliska nanopartiklar.

Oöverträffad absorptionsförmåga

Mezzenga är entusiastisk över hybridmembranets filterkapacitet:i tester med kvicksilverklorid, till exempel, kvicksilverkoncentrationen i filtratet sjönk med mer än 99,5 %. Effektiviteten var ännu högre med en giftig kaliumguldcyanidförening, där 99,98 % av föreningen var bunden till membranet, eller med blysalter, där effektiviteten var större än 99,97 %. Och med radioaktivt uran, 99,4% av den ursprungliga koncentrationen bands under filtrering. "Vi uppnådde dessa höga värden på bara ett enda pass, " betonar Bolisetty, medförfattare till uppfinningen.

Även över flera pass, hybridmembranet filtrerar bort giftiga ämnen med en hög grad av tillförlitlighet. Även om kvicksilverkoncentrationen i filtratet ökade med en faktor 10 från 0,4 ppm (parts per million) till 4,2 ppm efter 10 passager, mängden protein som användes var extremt låg. För att filtrera en halv liter förorenat vatten, forskarna använde ett membran som vägde bara en tiondel av ett gram, varav sju viktprocent bestod av proteinfibrer. "Ett kilo vassleprotein skulle räcka för att rena 90 000 liter vatten, mer än den mängd vatten som behövs under en människas livstid, " säger ETH-professorn. Detta innebär också att effektiviteten kan höjas ytterligare till de önskvärda kraven, genom att helt enkelt öka proteinhalten i membranet, han lägger till, betonar flexibiliteten i detta nya tillvägagångssätt.

Lovande potential

Mezzenga är övertygad om att hans teknik kommer att hitta sin väg ut på marknaden. "Det finns många applikationer för det, och vatten är ett av de mest pressande problemen vi står inför idag, " säger han i ljuset av den störtflod av lera som upplevts i Brasilien. ETH-professorn har patenterat sin teknik och nominerades i mars i år till ETH Zürichs Spark Award. eftersom den vetenskapliga publikationen måste genomgå en nio månader lång granskningsprocess, först nu kan Bolisetty och Mezzenga offentliggöra sin upptäckt.