Úprava vody: Nanotrubice zachycují steroidní hormony

Dr. Siqi Liu zkoumá elektrochemické oxidaci a membránové dělení pro úpravu vody na IAMT. (Foto: IAMT, KIT)

Steroidhormony patří mezi nejrozšířenější mikrokontaminanty ve vodě. Poškozují lidské zdraví a narušují ekologickou rovnováhu vodních toků. Na Karlsruher Institutu technologického (KIT) vědci zkoumali, jak funguje rozklad steroidních hormonů v elektrochemickém membránovém reaktoru s membránou z uhlíkových nanotrubiček. Zjistili, že adsorpce steroidních hormonů na uhlíkové nanotrubičky jejich následný rozklad neomezuje. O své studii informují vědci v časopise Nature Communications (DOI: 10.1038/s41467-024-52730-7).

Celosvětové zásobování lidí čistou vodou patří mezi velké výzvy současnosti i budoucnosti. V odpadních vodách se nacházejí různé mikrokontaminanty, tj. organické a anorganické látky, které se vyskytují v nízkých koncentracích, ale přesto mohou škodit lidskému zdraví a životnímu prostředí. Zvláštní riziko představují endokrinně aktivní látky, tedy takové, které mohou ovlivňovat hormonální systém, například steroidní hormony. Ty jsou mimo jiné široce rozšířené v léčivech a antikoncepci. Ve vodě je lze těžko detekovat, mohou však citelně narušit zdraví člověka a ekologickou rovnováhu vodních ekosystémů.

Oxidace umožňuje rozklad mikrokontaminantů

Obvyklými metodami čištění vody nelze steroidní hormony detekovat ani odstraňovat. Pokrokovým přístupem je stále více uznávaná elektrochemická oxidace (EO): systémy EO sestávají z anody a katody připojených k externímu zdroji elektrického napětí. Elektrická energie elektrod se mění (moduluje), což vede k oxidaci na povrchu anody a k rozkladu kontaminantů. Elektrochemické membránové reaktory (EMR) využívají možnosti EO ještě účinněji: jako průtoková elektroda slouží vodivá membrána, což zlepšuje transport látek. Navíc jsou aktivní místa pro reakční molekuly plně přístupná.

Uhlíkové nanotrubice mají jedinečné fyzikální a chemické vlastnosti

Vědci z Institutu pro pokročilé membránové technologie (IAMT) KIT spolu s vědci z Kalifornské univerzity v Los Angeles a Hebrejské univerzity v Jeruzalémě dále objasnili složité mechanismy v EMR: jak uvádějí ve speciálním vydání časopisu Nature Communications s názvem „Water Treatment and Harvesting“, zkoumali rozklad mikrokontaminantů steroidních hormonů v EMR s membránou z uhlíkových nanotrubiček. Uhlíkové nanotrubice (Carbon Nanotubes, CNT) mají průměr v nanometrovém rozměru a disponují jedinečnými fyzikálními a chemickými vlastnostmi: „Jejich vysoká vodivost umožňuje efektivní přenos elektronů,“ vysvětluje Andrea Iris Schäfer, profesorka vodního inženýrství a vedoucí IAMT KIT. „Díky své nanostruktuře mají CNT mimořádně velkou povrchovou plochu a tím i obrovský potenciál pro adsorpci různých organických sloučenin, což usnadňuje následné elektrochemické reakce.“

Ve své studii vědci pomocí nejmodernějších analytických metod zkoumali složitou souhru adsorpce a desorpce, elektrochemických reakcí a tvorby vedlejších produktů v EMR. „Zjistili jsme, že předchozí adsorpce steroidních hormonů, tj. jejich akumulace na povrchu CNT, neomezuje jejich následný rozklad,“ uvádí Dr. Siqi Liu, postdoktorandka na IAMT. „To přičítáme rychlé adsorpci a efektivnímu transportu látek.“ Analytický přístup studie také usnadňuje určování faktorů limitujících rozklad hormonů a měnících se podmínek. „Naše vyšetření objasňuje některé základní mechanismy v elektrochemických membránových reaktorech a poskytuje cenné poznatky pro další rozvoj elektrochemických strategií odstraňování mikrokontaminantů z vody,“ shrnuje Schäfer. (or)

Originální publikace:

Siqi Liu, David Jassby, Daniel Mandler, Andrea I. Schäfer: Differentiation of adsorption and degradation in steroid hormone micropollutants removal using electrochemical carbon nanotube membrane. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-52730-7