Vízkezelés: A fény segít a hormonok lebontásában

Fotokatalitikus membránszűrő berendezés napfény szimulátorral. A membránokat titandioxid bevonattal látták el. (Fotó: Markus Breig, KIT)

A vízben található mikro szennyeződések gyakran hormonokat tartalmaznak, amelyek felhalmozódnak a környezetben, és negatívan befolyásolhatják az embereket és az állatokat. A Karlsruhei Műszaki Intézet (KIT) és a Lipcsei Leibniz Felületi Módosítás Intézete (IOM) kutatói olyan eljárást fejlesztettek ki, amely a fotokatalitikus lebontását végzi ezeknek a szennyeződéseknek a polimer membránokon keresztüli áramlás során, és bemutatták a Nature Nanotechnology folyóiratban. A fény által kiváltott kémiai reakcióval a titandioxid bevonatú membránokon a szteroid hormonokat lebontják.

Bárhol, ahol emberek élnek, a hormonok, mint például a fogamzásgátló gyógyszerekben és a mezőgazdaságban használtak, bekerülnek a szennyvízbe. A szteroid hormonok, mint a nemi hormonok és a kortikoszteroidok, felhalmozódhatnak a környezetben, és negatívan befolyásolhatják az embereket és az állatokat, mivel befolyásolják a viselkedés fejlődését és a szaporodási képességet. Például a nemi hormonok miatt a halak női nemi jellemzőket fejleszthetnek ki hím példányokon. Ezért különösen fontos, hogy a mikro szennyeződéseken túl, a hormonokat is eltávolítsuk a szennyvízből, mielőtt azok visszakerülnének a természetes vízkörforgásba, amelyből az ivóvíz is származik. „Az ivóvíz tisztaságának biztosítása világszerte az egyik legfontosabb kihívás” – mondja Andrea Iris Schäfer professzor, a KIT Advanced Membrane Technology Intézetének (IAMT) vezetője. „A nyomokban jelen lévő szennyező anyagok hatalmas fenyegetést jelentenek a jövőnk számára, mivel károsítják termékenységünket és agyi funkciónkat.”

Inspiráció a napelem-technológiából

Schäfer évek óta foglalkozik a vízkezeléssel nanofiltráció segítségével. Ehhez polimer membránokat alkalmaz nanométeres pórusokkal. Azonban a nanofiltráció magas nyomással működik, így sok energiát igényel. Emellett előfordulhat, hogy a mikro szennyeződések felhalmozódnak a polimer membránanyagokban, és fokozatosan bekerülnek a szűrt vízbe. Még akkor is, ha a szennyeződések teljes mértékben eltávolításra kerülnek, eközben egy koncentrált szennyező anyagokat tartalmazó áram keletkezik, amely további kezelést igényel.

A napelem-technológiából merítve, amelyet a KIT-en dolgozó Bryce S. Richards professzor is kutat, Schäfer arra az ötletre jutott, hogy polimer membránokat titandioxiddal bevonva, fotokatalitikus membránokat fejlesszen ki: a fotokatalitikus aktivitással rendelkező titandioxid nanorészecskéket mikrofiltrációs membránokra viszik fel, amelyek pórusai valamivel nagyobbak, mint a nanofiltrációnál. A fény által kiváltott kémiai reakcióval a szteroid hormonokat lebontják a membránokon. Most Schäfer és csapata a KIT IAMT-jől, valamint kolléganői a Leibniz Felületi Módosítás Intézetéből (IOM) Leipzigben valósították meg az ötletet, és mutatták be az új technológiát a Nature Nanotechnology folyóiratban.

Víz katalizátora

„Szó szerint egy víz katalizátorát fejlesztettük ki” – összegzi Schäfer. A fotokatalitikus polimer membránok segítségével sikerült a szteroid hormonokat folyamatos áramlás közben olyan mértékben eltávolítani, hogy elérték a négy nanogramm/liter analitikai kimutatási határát – az értékek még közelebb kerültek egy nanogramm/literhez, ami megfelel az WHO új ivóvíz irányelveinek. A kutatók azon dolgoznak, hogy továbbfejlesszék technológiájukat, csökkentve az idő- és energiaigényt, valamint lehetővé téve a természetes fény használatát. Főként azonban a további kutatás célja, hogy más szennyező anyagokat is lebontsák fotokatalitikus módszerrel, például ipari vegyszereket, mint a per- és polyfluorált alkilanyagokat (PFAS), vagy növényvédő szereket, például a glyphosát. Egy másik kihívás a technológia nagyobb léptékben való megvalósítása. (or)

Eredeti közlemény

Shabnam Lotfi, Kristina Fischer, Agnes Schulze és 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

Összefoglaló elérhető a https://www.nature.com/articles/s41565-022-01074-8 címen

A publikáció hátteréről: https://engineeringcommunity.nature.com/posts/catalyst-for-water-removing-steroid-hormone-micropollutants-in-flow-through-photocatalytic-membrane