Korištenje sapuna za uklanjanje mikrozagađivača iz vode
Zamislite milijune sapunastih spužvi veličine ljudskih stanica koje mogu čistiti vodu upijajući onečišćenja. Ovaj pojednostavljeni model koristi se za opisivanje tehnologije koju su kemijski inženjeri MIT-a nedavno razvili za uklanjanje mikrozagađivača iz vode – zabrinjavajući problem u cijelom svijetu.
Patrick S. Doyle, profesor kemijskog inženjerstva, doktorski student Devashish Pratap Gokhale i student preddiplomskog studija Ian Chen nedavno su objavili svoje istraživanje o uklanjanju mikrozagađivača u časopisu ACS Applied Polymer Materials.
Unatoč niskim koncentracijama (oko 0,01-100 mikrograma po litri), mikrozagađivači mogu biti opasni za ekosustav i ljudsko zdravlje. Dolaze iz raznih izvora i otkriveni su u gotovo svim vodenim tijelima, kaže Gokhale. Farmaceutski proizvodi koji prolaze kroz ljude i životinje, na primjer, mogu završiti kao mikrozagađivači u vodoopskrbi. Drugi, poput endokrinog disruptora bisfenola A (BPA), mogu se ispirati iz plastike tijekom industrijske proizvodnje. Pesticidi, bojila, petrokemikalije i per- i polifluoroalkilne tvari, poznatije kao PFAS, također su primjeri mikrozagađivača, kao i neki teški metali poput olova i arsena. Ovo su samo neke od vrsta mikrozagađivača, od kojih svi s vremenom mogu biti toksični za ljude i životinje, potencijalno uzrokovati rak, oštećenje organa, nedostatke u razvoju ili druge štetne učinke.
Mikrozagađivači su brojni, ali budući da je njihova zajednička masa mala, teško ih je ukloniti iz vode. Trenutačno je najčešća praksa uklanjanja mikrozagađivača iz vode adsorpcija aktivnog ugljena. U tom procesu voda prolazi kroz ugljični filter, uklanjajući samo 30 posto mikrozagađivača. Aktivni ugljen zahtijeva visoke temperature za proizvodnju i regeneraciju, zahtijeva specijaliziranu opremu i troši velike količine energije. Reverzna osmoza se također može koristiti za uklanjanje mikrozagađivača iz vode; međutim, "to ne vodi dobroj eliminaciji ove klase molekula, zbog njihove koncentracije i njihove molekularne strukture", objašnjava Doyle.
Inspirirani sapunom
Kada su osmišljavali svoje rješenje za uklanjanje mikrozagađivača iz vode, istraživači MIT-a bili su inspirirani uobičajenim zalihama za čišćenje kućanstva - sapunom. Sapun čisti sve, od naših ruku i tijela, preko prljavog suđa do odjeće, pa bi se možda kemija sapuna mogla primijeniti i na dezinfekciju vode. Sapun ima molekule zvane surfaktanti koji imaju i hidrofobne i hidrofilne komponente. Kada voda dođe u dodir sa sapunom, hidrofobni dijelovi surfaktanta se lijepe zajedno, sastavljajući se u sferne strukture zvane micele s hidrofobnim dijelovima molekula u unutrašnjosti. Hidrofobne jezgre micela hvataju i pomažu odnijeti masne tvari poput prljavštine.
Doyleov laboratorij sintetizirao je čestice hidrogela napunjene micelama kako bi u suštini pročistio vodu. Gokhale objašnjava da su koristili mikrofluidiku koja "uključuje procesne tekućine na vrlo malim, mikronskim razmjerima" kako bi generirali jednolične čestice polimernog hidrogela kontinuirano i reproducibilno. Ovi hidrogelovi, koji su porozni i upijajući, sadrže surfaktant, fotoinicijator i sredstvo za umrežavanje poznato kao PEGDA. Surfaktant se sastavlja u micele koje su kemijski vezane za hidrogel korištenjem ultraljubičastog svjetla.
Kada voda protječe kroz ovaj sustav mikročestica, mikrozagađivači se hvataju za micele i odvajaju se od vode. Fizička interakcija koja se koristi u sustavu dovoljno je jaka da povuče mikroonečišćujuće tvari iz vode, ali dovoljno slaba da se čestice hidrogela mogu odvojiti od mikrozagađivača, ponovno stabilizirati i ponovno upotrijebiti. Laboratorijsko ispitivanje pokazuje da se i brzina i opseg uklanjanja onečišćujućih tvari povećavaju kada se poveća količina surfaktanta ugrađenog u hidrogelove.
"Pokazali smo da s obzirom na brzinu izvlačenja, što je ono što je stvarno važno kada to povećate za industrijsku upotrebu, da s našim početnim formatom već možemo nadmašiti aktivni ugljen," kaže Doyle. "Te čestice zapravo možemo vrlo lako regenerirati na sobnoj temperaturi. Gotovo 10 regeneracijskih ciklusa s minimalnom promjenom učinka", dodaje.
Regeneracija čestica se događa natapanjem micela u 90 postotni etanol, pri čemu "svi zagađivači samo izlaze iz čestica i vraćaju se u etanol", kaže Gokhale. Etanol je biološki siguran u niskim koncentracijama, jeftin i zapaljiv, što omogućuje sigurno i ekonomski izvedivo odlaganje. Recikliranje čestica hidrogela čini ovu tehnologiju održivom, što je velika prednost u odnosu na aktivni ugljen. Hidrogelovi se također mogu podesiti na bilo koji hidrofobni mikrozagađivač, što ovaj sustav čini novim, fleksibilnim pristupom pročišćavanju vode.
Povećanje
Tim je eksperimentirao u laboratoriju koristeći 2-naftol, mikro onečišćivač koji je zabrinjavajući organski zagađivač i poznato da ga je teško ukloniti korištenjem konvencionalnih metoda filtracije vode. Nadaju se da će nastaviti testiranje sa pravim uzorcima vode. "Trenutno ubacujemo jedan mikroonečišćivač u čistu laboratorijsku vodu. Željeli bismo uzeti uzorke vode iz prirodnog okoliša koje možemo proučavati i eksperimentalno promatrati", kaže Doyle.
Koristeći mikrofluidiku za povećanje proizvodnje čestica, Doyle i njegov laboratorij nadaju se napraviti filtere za kućanstvo koje će se testirati s pravom otpadnom vodom. Zatim predviđaju proširenje na pročišćavanje komunalnih voda ili čak na pročišćavanje industrijskih otpadnih voda.
Laboratorij je nedavno podnio međunarodnu patentnu prijavu za njihovu hidrogel tehnologiju koja koristi imobilizirane micele. Planiraju nastaviti ovaj rad eksperimentiranjem s različitim vrstama hidrogelova za uklanjanje zagađivača teških metala poput olova iz vode.
Izvor: Phys.org