Oczyszczanie wody: światło pomaga w rozkładzie hormonów

Fotokatalityczna instalacja filtracji membranowej z symulatorem słonecznym. Membrany są pokryte tlenkiem tytanu. (Zdjęcie: Markus Breig, KIT)

W przypadku mikrozanieczyszczeń w wodzie często są to hormony, które gromadzą się w środowisku i mogą negatywnie wpływać na ludzi i zwierzęta. Naukowcy z Instytutu Technologii w Karlsruhe (KIT) oraz z Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung (IOM) w Lipsku opracowali metodę fotokatalitycznego rozkładu tych zanieczyszczeń w przepływie przez membrany polimerowe i przedstawili ją w czasopiśmie Nature Nanotechnology. Podczas naświetlania światłem, które wywołuje reakcję chemiczną, sterydowe hormony są rozkładane na powierzchni pokrytych tlenkiem tytanu membran.

Wszędzie tam, gdzie żyją ludzie, do ścieków trafiają hormony, takie jak te stosowane w środkach antykoncepcyjnych i w rolnictwie. Steroidowe hormony, takie jak hormony płciowe i kortykosteroidy, mogą się gromadzić w środowisku i mieć negatywny wpływ na ludzi i zwierzęta, zakłócając rozwój zachowań i zdolność rozmnażania. Na przykład hormony płciowe mogą powodować, że samce ryb rozwijają cechy żeńskie. Dlatego tak ważne jest, oprócz innych mikrozanieczyszczeń, usuwanie hormonów z ścieków, zanim trafią one z powrotem do naturalnego obiegu wodnego, z którego czerpiemy wodę pitną. „Dostarczanie ludziom czystej wody do picia należy do najważniejszych wyzwań obecnych czasów” — mówi profesor Andrea Iris Schäfer, kierowniczka Instytutu Zaawansowanych Membranowych Technologii (IAMT) w KIT. „Zanieczyszczenia śladowe stanowią ogromne zagrożenie dla naszej przyszłości, ponieważ wpływają na naszą płodność i funkcje mózgu.”

Inspiracja z technologii ogniw słonecznych

Schäfer od lat zajmuje się uzdatnianiem wody za pomocą nanofiltracji. W tym celu stosuje polimerowe membrany z nanometrowymi porami. Jednak nanofiltracja wymaga wysokiego ciśnienia i zużywa dużo energii. Ponadto może się zdarzyć, że mikrozanieczyszczenia gromadzą się w materiałach membran polimerowych i stopniowo przenikają do filtrowanej wody. Nawet jeśli uda się całkowicie usunąć zanieczyszczenia, powstaje strumień z skoncentrowanymi substancjami szkodliwymi, który musi być dalej oczyszczany.

Zainspirowana technologią ogniw słonecznych, nad którą pracuje również profesor Bryce S. Richards z KIT, Schäfer wpadła na pomysł pokrycia membran polimerowych tlenkiem tytanu i opracowania membran fotokatalitycznych: Nanoparticles aktywne fotokatalitycznie z tlenku tytanu są nanoszone na mikrofiltracyjne membrany, których pory są nieco większe niż w nanofiltracji. Podczas naświetlania światłem, które wywołuje reakcję chemiczną, sterydowe hormony są rozkładane na powierzchni membran. Schäfer wraz z zespołem z IAMT KIT oraz koleżankami z Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung w Lipsku zrealizowali ten pomysł i przedstawili nową technologię w czasopiśmie Nature Nanotechnology.

Katalizator dla wody

„Tak naprawdę opracowaliśmy coś na kształt katalizatora dla wody” — podsumowuje Schäfer. Dzięki fotokatalitycznym polimerowym membranom udało się usunąć sterydowe hormony w ciągłym przepływie do tego stopnia, że osiągnięto granicę wykrywalności analitycznej na poziomie czterech nanogramów na litr — wartości te były nawet dość bliskie jednemu nanogramowi na litr, co odpowiada nowej wytycznej WHO dotyczącej wody pitnej. Naukowcy pracują nad dalszym rozwojem technologii, aby skrócić czas i zmniejszyć zużycie energii, a także umożliwić korzystanie z naturalnego światła. Co najważniejsze, dalsze badania mają na celu rozkładanie innych substancji szkodliwych za pomocą fotokatalizy, takich jak chemikalia przemysłowe, np. per- i polyfluorowane alkilowe substancje (PFAS) czy pestycydy, np. glifosat. Kolejnym wyzwaniem jest wdrożenie tej technologii na większą skalę. (or)

Oryginalna publikacja

Shabnam Lotfi, Kristina Fischer, Agnes Schulze i Andrea I. Schäfer: Fotokatalityczne rozkładanie mikrozanieczyszczeń steroidowych hormonów za pomocą membran polimerowych pokrytych TiO₂ w procesie ciągłym. Nature Nanotechnology, 2022. DOI: 10.1038/s41565-022-01074-8

Streszczenie dostępne pod https://www.nature.com/articles/s41565-022-01074-8

O kontekście publikacji: https://engineeringcommunity.nature.com/posts/catalyst-for-water-removing-steroid-hormone-micropollutants-in-flow-through-photocatalytic-membrane