Úprava vody: Světlo pomáhá při rozkladu hormonů

Fotokatalytický membránový filtrační systém se slunečním simulátorem. Membrány jsou potažené titaničitánem. (Foto: Markus Breig, KIT)

U mikroškodlivin v vodě se často jedná o hormony, které se hromadí v životním prostředí a mohou mít negativní dopad na lidi i zvířata. Výzkumníci z Karlsruher Institut für Technologie (KIT) a Leibniz-Institutu für Oberflächenmodifizierung (IOM) v Lipsku vyvinuli postup fotokatalytického rozkladu těchto kontaminantů při průtoku přes polymerní membrány a představili jej v časopise Nature Nanotechnology. Při ozáření světlem, které spouští chemickou reakci, jsou steroidní hormony rozkládány na površích membrán potažených titaničitanem.

Kamkoliv lidé žijí, dostávají se hormony, například používané v léčivech proti početí a v zemědělství, do odpadních vod. Steroidní hormony, jako jsou pohlavní hormony a kortikosteroidy, se mohou hromadit v životním prostředí a negativně ovlivnit lidi i zvířata tím, že narušují vývoj chování a reprodukční schopnosti. Například pohlavní hormony mohou způsobit, že samčí ryby vyvinou samičí pohlavní znaky. Proto je důležité, vedle jiných mikroškodlivin, odstraňovat hormony z odpadních vod ještě před jejich návratem do přirozeného vodního cyklu, ze kterého pochází pitná voda. „Zajištění čisté pitné vody pro lidi patří mezi nejdůležitější současné výzvy na celém světě,“ říká profesorka Andrea Iris Schäfer, vedoucí Institute for Advanced Membrane Technology (IAMT) na KIT. „Stopové škodliviny představují obrovskou hrozbu pro naši budoucnost, protože narušují naši plodnost a mozkovou funkci.“

Inspirace ze solárních článků

Schäfer se již léta zabývá úpravou vody pomocí nanofiltrace. K tomu používá polymerní membrány s nano velkými póry. Nicméně nanofiltrace pracuje za vysokého tlaku a spotřebovává tedy hodně energie. Navíc může dojít k hromadění mikroškodlivin v polymerních materiálech membrán, které se postupně uvolňují do filtrované vody. I když se podaří kontaminanty úplně odstranit, vznikne proud koncentrovaných škodlivin, který je třeba dále zpracovat.

Inspirována technologií solárních článků, kterou se zabývá i profesor Bryce S. Richards z KIT, přišla Schäfer na nápad potahovat polymerní membrány titaničitanem a vyvíjet fotokatalytické membrány: Fotokatalyticky aktivní nanočástice titaničitanů jsou naneseny na mikrofiltrační membrány, jejichž póry jsou o něco větší než u nanofiltrace. Při ozáření světlem, které spouští chemickou reakci, jsou steroidní hormony na površích membrán rozkládány. Schäfer nyní svůj nápad realizovala se svým týmem v IAMT na KIT a s kolegy z Leibniz-Institutu für Oberflächenmodifizierung (IOM) v Lipsku a představila novou technologii v časopise Nature Nanotechnology.

Katalyzátor pro vodu

„V podstatě jsme vyvinuli katalyzátor pro vodu,“ shrnuje Schäfer. S fotokatalytickými polymerními membránami se podařilo odstranit steroidní hormony při kontinuálním průtoku tak, že byla dosažena analytická detekční hranice čtyři nanogramy na litr – hodnoty se dokonce přiblížily jednomu nanogramu na litr, což odpovídá nové směrnici WHO pro pitnou vodu. Výzkumníci pracují na dalším zdokonalování technologie, aby snížili dobu potřebnou k čištění a spotřebu energie, a umožnili použití přirozeného světla. Především však další výzkum směřuje k rozkladu dalších škodlivin pomocí fotokatalýzy, například průmyslových chemikálií, jako jsou per- a polyfluorované alkylové látky (PFAS), nebo pesticidů, například glyfosátu. Další výzvou je zrealizovat technologii ve větším měřítku. (or)

Originální publikace

Shabnam Lotfi, Kristina Fischer, Agnes Schulze a Andrea I. Schäfer: Photocatalytic degradation of steroid hormone micropollutants by TiO2-coated polyethersulfone membranes in a continuous flow-through process. Nature Nanotechnology, 2022. DOI: 10.1038/s41565-022-01074-8

Abstrakt na https://www.nature.com/articles/s41565-022-01074-8

O pozadí publikace: https://engineeringcommunity.nature.com/posts/catalyst-for-water-removing-steroid-hormone-micropollutants-in-flow-through-photocatalytic-membrane