Waterbehandeling: Licht helpt bij de afbraak van hormonen

Fotokatalytisch membraanfiltratiesysteem met zonnesimulator. De membranen zijn bedekt met titaniumdioxide. (Foto: Markus Breig, KIT)

Bij microverontreinigingen in het water gaat het vaak om hormonen die zich in het milieu ophopen en een negatieve invloed kunnen hebben op mensen en dieren. Onderzoekers aan het Karlsruher Instituut voor Technologie (KIT) en het Leibniz-Instituut voor oppervlakte-modificatie (IOM) in Leipzig hebben een procédé ontwikkeld voor de fotokatalytische afbraak van deze verontreinigingen in doorstroming door polymerenmembranen en dit gepresenteerd in het tijdschrift Nature Nanotechnology. Door bestraling met licht, dat een chemische reactie veroorzaakt, worden steroïdhormonen afgebroken op de met titaniumdioxide gecoate membranen.

Overal waar mensen wonen, komen hormonen, zoals die in geneesmiddelen voor anticonceptie en in de landbouw worden gebruikt, in het afvalwater terecht. Steroïdhormonen zoals geslachtshormonen en corticosteroïden kunnen zich in het milieu ophopen en een negatieve invloed hebben op mensen en dieren door de gedragsontwikkeling en de voortplantingscapaciteit te verstoren. Geslachtshormonen kunnen bijvoorbeeld leiden tot dat mannelijke vissen vrouwelijke seksekenmerken ontwikkelen. Het is daarom des te belangrijker om naast andere microverontreinigingen ook hormonen uit het afvalwater te verwijderen voordat deze terugkeren in de natuurlijke waterkringloop waaruit weer drinkwater wordt gewonnen. "Het voorzien van mensen van schoon drinkwater behoort wereldwijd tot de belangrijkste uitdagingen van deze tijd," zegt professorin Andrea Iris Schäfer, hoofd van het Institute for Advanced Membrane Technology (IAMT) van het KIT. "Spurverontreinigingen vormen een enorme bedreiging voor onze toekomst omdat ze onze vruchtbaarheid en hersenfunctie aantasten."

Inspelen op zonneceltechnologie

Schäfer houdt zich al jaren bezig met waterzuivering via nanofiltratie. Daartoe gebruikt ze polymerenmembranen met nanometerkleine poriën. Echter, nanofiltratie werkt onder hoge druk en verbruikt daardoor veel energie. Bovendien kan het gebeuren dat microverontreinigingen zich ophopen in de polymerenmaterialen van de membranen en langzaam in het gefilterde water terechtkomen. Zelfs als de verwijdering van de verontreinigingen volledig lukt, ontstaat er daarbij een stroom met geconcentreerde schadstoffen die verder moet worden behandeld.

Geïnspireerd door de zonneceltechnologie, waarmee ook professor Bryce S. Richards aan het KIT zich bezighoudt, kwam Schäfer op het idee om polymerenmembranen te coaten met titaniumdioxide en fotokatalytische membranen te ontwikkelen: Fotokatalytisch actieve titaniumdioxide-nanodeeltjes worden aangebracht op microfiltratie-membranen, waarvan de poriën iets groter zijn dan bij nanofiltratie. Door bestraling met licht, dat een chemische reactie veroorzaakt, worden steroïdhormonen op de membranen afgebroken. Schäfer heeft haar idee nu gerealiseerd met haar team van het IAMT van het KIT en met collega’s van het Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung (IOM) in Leipzig en deze nieuwe technologie gepresenteerd in het tijdschrift Nature Nanotechnology.

Catalysator voor water

“We hebben zo ongeveer een katalysator voor water ontwikkeld,” vat Schäfer samen. Met de fotokatalytische polymerenmembranen is het gelukt om steroïdhormonen in een continue doorstroming zo ver te verwijderen dat de analytische detectielimiet van vier nanogram per liter werd bereikt – de waarden kwamen zelfs heel dicht bij een nanogram per liter, wat overeenkomt met de nieuwe drinkwaterrichtlijn van de WHO. De onderzoekers werken eraan om hun technologie verder te ontwikkelen om de benodigde tijd en het energieverbruik te verminderen en het gebruik van natuurlijk licht mogelijk te maken. Maar vooral richt het verdere onderzoek zich op het afbreken van andere schadstoffen met behulp van fotokatalyse, zoals industriële chemicaliën zoals per- en polyfluorierte alkylstoffen (PFAS) of pesticiden zoals glyfosaat. Een andere uitdaging is om de technologie op grotere schaal te realiseren.” (or)

Oorspronkelijke publicatie

Shabnam Lotfi, Kristina Fischer, Agnes Schulze en 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

Samenvatting onder https://www.nature.com/articles/s41565-022-01074-8

Voor achtergrondinformatie bij de publicatie: https://engineeringcommunity.nature.com/posts/catalyst-for-water-removing-steroid-hormone-micropollutants-in-flow-through-photocatalytic-membrane