Att använda avfall för att rena vatten kan låta kontraintuitivt. Men på TU Wien är det precis vad som nu har uppnåtts. Forskare har utvecklat en speciell nanostruktur för att filtrera en utbredd klass av skadliga färgämnen från vatten.
En avgörande komponent är ett material som anses vara avfall:använd cellulosa, till exempel i form av städdukar eller pappersmuggar. Cellulosan används för att belägga ett fint nanotyg för att skapa ett effektivt filter för förorenat vatten. Uppsatsen är publicerad i tidskriften Small Science .
Organiska färgämnen representerar den största gruppen syntetiska färgämnen, inklusive så kallade azoföreningar. De används i stor utsträckning inom textilindustrin, även i länder där man ägnar lite uppmärksamhet åt miljöskydd, och färgämnena hamnar ofta i ofiltrerat avloppsvatten.
"Detta är farligt eftersom sådana färgämnen bryts ned mycket långsamt, de kan ligga kvar i vattnet under lång tid och utgöra stor fara för människor och natur", säger professor Günther Rupprechter från Institutet för materialkemi vid TU Wien.
Det finns olika material som kan binda sådana färgämnen. Men det är inte tillräckligt. "Om du helt enkelt låter det förorenade vattnet rinna över en filterfilm som kan binda färgämnen blir rengöringseffekten låg", förklarar Rupprechter.
"Det är mycket bättre att skapa ett nanotyg av massor av små fibrer och låta vattnet sippra igenom." Vattnet kommer då i kontakt med en mycket större yta, och därmed kan många fler organiska färgämnesmolekyler bindas.
"Vi arbetar med halvkristallin nanocellulosa, som kan tillverkas av avfallsmaterial", säger Qaisar Maqbool, första författare till studien och postdoc i Rupprechters forskargrupp. "Metalhaltiga ämnen används ofta för liknande ändamål. Vårt material är däremot helt ofarligt för miljön och vi kan även producera det genom att återanvända returpapper."
Denna nanocellulosa "snurras" tillsammans med plasten polyakrylnitril till nanostrukturer. Detta kräver dock mycket teknisk skicklighet. Teamet från TU Wien lyckades med en så kallad elektrospinningsprocess. I denna process sprutas materialet i flytande form, dropparna laddas elektriskt och skickas genom ett elektriskt fält.
"Detta säkerställer att vätskan bildar extremt fina trådar med en diameter på 180 till 200 nanometer under härdningen", säger Rupprechter. Dessa trådar bildar en fin vävnad med stor yta - en så kallad "nanoweb". Ett nätverk av trådar kan placeras på en kvadratcentimeter, med en total yta på mer än 10 cm 2 .
Testerna med dessa cellulosabelagda nanostrukturer var mycket framgångsrika:I tre cykler renades vatten förorenat med violett färgämne och 95 % av färgen avlägsnades. "Färgämnena förblir lagrade i nanowebben. Du kan sedan antingen kassera hela banan eller regenerera den, lösa upp de lagrade färgämnena och återanvända filtertyget", förklarar Rupprechter.
Men mer arbete måste göras:utvärdera de mekaniska egenskaperna hos de sofistikerade nanowebben, utföra biokompatibilitetstester, bedöma känsligheten för mer komplexa föroreningar och uppnå skalbarhet till industriella standarder.
Nu vill Rupprechter och hans forskargrupp undersöka hur denna färgfilterteknologi kan överföras till andra användningsområden.
"Den här tekniken kan också vara mycket intressant för det medicinska området," tror Rupprechter. "Dialys, till exempel, behöver också filtrera bort mycket specifika kemiska ämnen från en vätska." Belagda nanotyger kan vara användbara för sådana applikationer.
Mer information: Qaisar Maqbool et al, Waste-Valorized Nanowebs for Crystal Violet Removal from Water, Small Science (2024). DOI:10.1002/smsc.202300286
Tillhandahålls av Wiens tekniska universitet
