Oczyszczanie wody: Nanorurki wychwytują hormony sterydowe

Dr. Siqi Liu bada nad elektrochemicznym utlenianiem i separacją membran w IAMT w celu uzdatniania wody. (Zdjęcie: IAMT, KIT)

Steroidhormony należą do najpowszechniejszych mikrozanieczyszczeń w wodzie. Szkodzą zdrowiu człowieka i zakłócają równowagę ekologiczną zbiorników wodnych. Naukowcy z Instytutu Technologii Karlsruher (KIT) zbadali, jak działa rozkład steroidowych hormonów w elektrochemicznym reaktorze membranowym z membraną z nanorurek węglowych. Stwierdzili, że adsorpcja hormonów steroidowych na nanorurkach węglowych nie ogranicza ich późniejszego rozkładu. O wynikach swojej pracy naukowcy informują w czasopiśmie Nature Communications (DOI: 10.1038/s41467-024-52730-7).

Zapewnienie czystej wody dla ludzi na całym świecie jest jednym z największych wyzwań teraźniejszości i przyszłości. W ściekach znajdują się różne mikrozanieczyszczenia, czyli substancje organiczne i nieorganiczne występujące w niskich stężeniach, które mimo to mogą mieć szkodliwy wpływ na zdrowie ludzi i środowisko. Szczególne ryzyko stanowią substancje o działaniu endokrynnie aktywnym, czyli takie, które mogą wpływać na układ hormonalny, jak na przykład sterydowe hormony. Są one szeroko stosowane m.in. w lekach i środkach antykoncepcyjnych. W wodzie trudno je wykryć, mogą jednak poważnie zakłócać zdrowie człowieka i równowagę ekologiczną zbiorników wodnych.

Oxidacja umożliwia rozkład mikrozanieczyszczeń

Tradycyjne metody oczyszczania wody nie pozwalają na wykrycie ani usunięcie steroidowych hormonów. Zaawansowaną metodą jest coraz bardziej uznawana oksydacja elektrochemiczna (EO): systemy EO składają się z anody i katody, podłączonych do zewnętrznego źródła prądu. Energia elektryczna elektrod jest modulowana, co prowadzi do utleniania na powierzchni anody i rozkładu zanieczyszczeń. Elektrochemiczne reaktory membranowe (EMR) wykorzystują możliwości EO jeszcze skuteczniej: jako elektrodę przepływową służy przewodząca membrana, co poprawia transport substancji. Dodatkowo, aktywne miejsca dla reagujących cząsteczek są w pełni dostępne.

Nanorurki węglowe posiadają unikalne właściwości fizyczne i chemiczne

Naukowcy z Instytutu Zaawansowanej Technologii Membran (IAMT) KIT, we współpracy z naukowcami z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles oraz Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie, dalej wyjaśnili trudne do zrozumienia mechanizmy działające w EMR: jak opisują w specjalnym wydaniu „Water Treatment and Harvesting” czasopisma Nature Communications, badali rozkład mikrozanieczyszczeń steroidowych hormonów w EMR z membraną z nanorurek węglowych. Nanorurki węglowe (Carbon Nanotubes, CNT) mają średnicę w nanometrach i posiadają unikalne właściwości fizyczne i chemiczne: „Ich wysoka przewodność umożliwia efektywny transfer elektronów,” wyjaśnia Andrea Iris Schäfer, profesor inżynierii wodnej i kierownik IAMT KIT. „Dzięki swojej nanostrukturze CNT mają niezwykle dużą powierzchnię, co stwarza ogromny potencjał do adsorpcji różnych związków organicznych, ułatwiając tym samym późniejsze reakcje elektrochemiczne.”

W swoim badaniu naukowcy zastosowali najnowocześniejsze metody analityczne, aby zbadać złożoną interakcję między adsorpcją i desorpcją, reakcjami elektrochemicznymi oraz powstawaniem produktów ubocznych w EMR. „Stwierdziliśmy, że wcześniejsza adsorpcja hormonów steroidowych, czyli ich gromadzenie się na powierzchni CNT, nie ogranicza późniejszego rozkładu hormonów,” relacjonuje dr Siqi Liu, postdoktorant w IAMT. „Przyczyną tego jest szybka adsorpcja i skuteczny transport substancji.” Podejście analityczne zastosowane w badaniu ułatwia także określenie czynników ograniczających rozkład hormonów i warunków, które się zmieniają. „Nasze badanie wyjaśnia niektóre podstawowe mechanizmy w elektrochemicznych reaktorach membranowych i dostarcza cennych informacji do dalszego rozwoju strategii elektrochemicznych w celu eliminacji mikrozanieczyszczeń z wody,” podsumowuje Schäfer. (or)

Oryginalna publikacja:

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