Vízkezelés: Nanorörök fogják a szteroid hormonokat

Az IAMT-nél Dr. Siqi Liu elektro-kémiai oxidációval és membránszűréssel foglalkozik a vízkezelés terén. (Kép: IAMT, KIT)

A szteroid hormonok a víz egyik legelterjedtebb mikro-szennyeződésének számítanak. Ártanak az emberi egészségnek és zavarják a vízi élőhelyek ökológiai egyensúlyát. A Karlsruhei Műszaki Intézetben (KIT) kutatók vizsgálták, hogyan működik a szteroid hormonok lebontása egy elektrokémiai membránreaktorban, szén nanorészecske-membránnal. Megállapították, hogy a szteroid hormonok adszorpciója a szén nanorészecskékhez nem korlátozza a későbbi lebontásukat. Kutatásukról a Nature Communications című folyóiratban számolnak be (DOI: 10.1038/s41467-024-52730-7).

A tiszta víz ellátása világszerte az egyik legnagyobb kihívás a jelenben és a jövőben. A szennyvizekben különféle mikro-szennyeződések találhatók, vagyis olyan szerves és szervetlen anyagok, amelyek kis koncentrációban fordulnak elő, de mégis károsak lehetnek az emberre és a környezetre. Különösen veszélyesek az endokrin hatású szerek, amelyek befolyásolhatják a hormonrendszert, például a szteroid hormonok. Ezek például gyógyszerekben és fogamzásgátlókban gyakran fordulnak elő. A vízben nehéz kimutatni őket, de egészségügyi és ökológiai szempontból érzékenyen befolyásolhatják a szervezetet és a vízi élőhelyeket.

Oxidáció lehetővé teszi a mikro-szennyeződések lebontását

A hagyományos vízkezelési módszerekkel nem lehet szteroid hormonokat kimutatni vagy eltávolítani. Korszerű megközelítésként az elektrokémiai oxidáció (EO) egyre inkább elismert: az EO-rendszerek egy anódból és egy katódból állnak, amelyek külső áramforráshoz vannak csatlakoztatva. Az elektródák elektromos energiáját változtatják (modulálják), ami oxidációt eredményez az anód felületén, és lebontja a szennyeződéseket. Az elektrokémiai membránreaktorokat (EMR) még hatékonyabban használják az EO lehetőségei: vezető membrán szolgál áramlási elektródaként, ami javítja az anyagtranszportot. Emellett a reagáló molekulák számára teljes hozzáférést biztosítanak az aktív felületek.

A szén nanorészecskék egyedi fizikai és kémiai tulajdonságokkal rendelkeznek

A KIT Advanced Membrane Technology Intézetének (IAMT) kutatói, valamint a Californiai Egyetem Los Angeles-i és a Jeruzsálemi Héber Egyetem kutatóival közösen tovább tisztázták az EMR-ben zajló összetett mechanizmusokat: Ahogyan a szaklap „Water Treatment and Harvesting” különkiadásában a Nature Communications közölte, vizsgálták a szteroid hormon mikro-szennyeződések lebontását egy EMR-ben, szén nanorészecske-membránnal. A szén nanorészecskék (Carbon Nanotubes, CNT) nanométeres átmérővel rendelkeznek, és egyedi fizikai és kémiai tulajdonságokkal bírnak: „Magas vezetőképességük lehetővé teszi hatékony elektrontranszfert” – magyarázza Andrea Iris Schäfer, a vízkezelési eljárások professzora és az IAMT vezetője a KIT-nél. „Nanostruktúrájuknak köszönhetően a CNT-k rendkívül nagy felülettel rendelkeznek, ami hatalmas potenciált jelent a különféle szerves vegyületek adszorpciójára, ez megkönnyíti a későbbi elektrokémiai reakciókat.”

A tanulmányban a kutatók a legmodernebb analitikai módszerekkel vizsgálták az adszorpció és deszorpció, az elektrokémiai reakciók és a melléktermékek képződése közötti összetett kölcsönhatásokat egy EMR-ben. „Megállapítottuk, hogy a szteroid hormonok előzetes adszorpciója, vagyis azok felülethez kötődése a CNT-ken, nem korlátozza a hormonok későbbi lebontását” – mondja Dr. Siqi Liu, az IAMT posztdoktora. „Ezt a gyors adszorpció és hatékony anyagtranszport eredményének tulajdonítjuk.” A tanulmány analitikus megközelítése megkönnyíti a hormonlebontást korlátozó tényezők és változó körülmények meghatározását is. „Vizsgálatunk néhány alapvető mechanizmust tisztáz az elektrokémiai membránreaktorokban, és értékes információkat nyújt az mikro-szennyeződések vízben történő eltávolítására irányuló elektrokémiai stratégiák további fejlesztéséhez” – összegzi Schäfer. (or)

Eredeti publikáció:

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