Waterbehandeling: Nanobuizen vangen steroïdhormonen

Bij IAMT onderzoekt Dr. Siqi Liu elektrochemische oxidatie en membraanfiltratie voor waterbehandeling. (Foto: IAMT, KIT)

Steroïdhormonen behoren tot de meest voorkomende microverontreinigingen in het water. Ze schaden de menselijke gezondheid en verstoren het ecologische evenwicht van wateren. Aan het Karlsruher Instituut voor Technologie (KIT) hebben onderzoekers onderzocht hoe de afbraak van steroïdhormonen werkt in een elektrochemisch membraanreactor met koolstofnanoroom-membraan. Ze ontdekten dat de adsorptie van de steroïdhormonen aan de koolstofnanorooms hun daaropvolgende afbraak niet beperkt. Over hun studie rapporteren de onderzoekers in Nature Communications (DOI: 10.1038/s41467-024-52730-7).

Wereldwijd mensen voorzien van schoon water behoort tot de grote uitdagingen van het heden en de toekomst. In afvalwater bevinden zich diverse microverontreinigingen, dat wil zeggen organische en anorganische stoffen die in lage concentraties voorkomen, maar toch schadelijk kunnen zijn voor mens en milieu. Bijzondere risico's vormen endrocriene actieve stoffen, dus stoffen die het hormoonsysteem kunnen beïnvloeden, zoals bijvoorbeeld steroïdhormonen. Deze stoffen zijn onder andere wijdverspreid in geneesmiddelen en anticonceptiemiddelen. In water zijn ze moeilijk te detecteren, maar kunnen ze de gezondheid van de mens en het ecologische evenwicht van wateren ernstig verstoren.

Oxidatie maakt afbraak van microverontreinigingen mogelijk

Met conventionele methoden voor waterbehandeling kunnen steroïdhormonen niet worden opgespoord of verwijderd. Als geavanceerde benadering wordt de elektrochemische oxidatie (EO) steeds meer erkend: EO-systemen bestaan uit een anode en een kathode, aangesloten op een externe stroombron. De elektrische energie van de elektroden wordt aangepast (gemoduleerd), wat leidt tot oxidatie aan het oppervlak van de anode en de afbraak van verontreinigingen. Elektrochemische membraanreactoren (EMR) maken nog effectievere gebruik van de mogelijkheden van EO: Een geleidende membraan dient als doorstroomelektrode, wat het stoftransport verbetert. Bovendien zijn actieve plaatsen voor de reagerende moleculen volledig toegankelijk.

Koolstofnanorooms bezitten unieke fysische en chemische eigenschappen

Onderzoekers van het Institute for Advanced Membrane Technology (IAMT) van het KIT hebben samen met wetenschappers van de University of California, Los Angeles, en de Hebrew University of Jerusalem nu de moeilijk te begrijpen mechanismen in EMR verder opgehelderd: Zoals de onderzoekers in de speciale uitgave ‘Water Treatment and Harvesting’ van het vakblad Nature Communications berichten, onderzochten zij de afbraak van steroïdhormoon-microverontreinigingen in een EMR met koolstofnanoroom-membraan. Koolstofnanorooms (Carbon Nanotubes, CNT) hebben diameters in het nanometerbereik en bezitten unieke fysische en chemische eigenschappen: “Hun hoge geleidbaarheid maakt een efficiënte elektronenoverdracht mogelijk,” legt Andrea Iris Schäfer uit, hoogleraar water- en processtechniek en hoofd van het IAMT van het KIT. “Dankzij hun nanostructuur beschikken CNT over een buitengewoon groot oppervlak en daarmee een enorm potentieel voor de adsorptie van verschillende organische verbindingen, wat latere elektrochemische reacties vergemakkelijkt.”

In hun studie onderzochten de onderzoekers met geavanceerde analytische methoden de complexe interactie van adsorptie en desorptie, elektrochemische reacties en de vorming van nevenproducten in een EMR. “We hebben vastgesteld dat de voorafgaande adsorptie van steroïdhormonen, dat wil zeggen hun ophoping op het oppervlak van de CNT, de daaropvolgende afbraak van de hormonen niet beperkt,” vertelt Dr. Siqi Liu, postdoc aan het IAMT. “Dit wijten we aan de snelle adsorptie en het effectieve stoftransport.” De analytische aanpak van de studie vergemakkelijkt ook het bepalen van de factoren die de hormoonafbraak beperken en de veranderende omstandigheden. “Ons onderzoek verduidelijkt enkele fundamentele mechanismen in elektrochemische membraanreactoren en levert waardevolle inzichten voor de verdere ontwikkeling van elektrochemische strategieën om microverontreinigingen uit water te verwijderen,” vat Schäfer samen. (or)

Oorspronkelijke publicatie:

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