Ein neuer Wasserfilter kann in nur einem Arbeitsgang toxische Schwermetallionen und radioaktive Stoffe entfernen.

Die Filtermembran ist ein Hybrid aus zwei preiswerten Materialien: Molkenproteinfasern und Aktivkohle. Die einfache Technologie überwindet mehrere Nachteile bestehender Verfahren, die typischerweise teuer sind und nur ein spezifisches Element entfernen können oder eine sehr kleine Filterkapazität aufweisen.

"Das Projekt ist eines der wichtigsten Dinge, die ich je gemacht habe", sagt Raffaele Mezzenga, Professorin für Lebensmittel und sanfte Materialien an der ETH Zürich. Er und Kollege Sreenath Bolisetty beschreiben die Technologie in der Zeitschrift Natur Nanotechnologie.

Das Herzstück des Filtersystems ist eine neuartige Hybridmembran aus Aktivkohle und zähen, festen Molkenproteinfasern. Die zwei Komponenten sind kostengünstig und einfach herzustellen.

Die Molkenproteine ​​sind denaturiert, wodurch sie sich dehnen und schließlich in Form von Amyloidfibrillen zusammenkommen. Diese Fasern werden zusammen mit Aktivkohle auf ein geeignetes Substratmaterial, wie ein Cellulosefilterpapier aufgebracht. Der Kohlenstoffgehalt ist 98 Prozent, mit einem 2-Anteil von nur einem Protein.

Gewinnt wertvolles Gold

Diese Hybridmembran absorbiert verschiedene Schwermetalle auf unspezifische Weise, einschließlich industriell relevanter Elemente wie Blei, Quecksilber, Gold und Palladium. Es absorbiert jedoch auch radioaktive Substanzen wie Uran oder Phosphor-32, die für nukleare Abfälle bzw. bestimmte Krebstherapien relevant sind.

Die Membran entfernt auch hochgiftige Metallcyanide aus Wasser. Zu dieser Klasse von Materialien gehört Goldcyanid, das häufig in der Elektronikindustrie zur Herstellung von Leiterbahnen auf Leiterplatten verwendet wird.

Die Membran bietet eine einfache Möglichkeit zum Herausfiltern und das Gold erholt, so dass das Filtersystem könnte eines Tages auch eine wichtige Rolle in Gold Recycling spielen.

"Der Gewinn des wiedergewonnenen Goldes ist mehr als 200-mal so hoch wie der Preis für die Hybridmembran", sagt Mezzenga.

So funktioniert's

Der Filtrationsprozess ist extrem einfach: Kontaminiertes Wasser wird durch die Membran durch Vakuum gezogen.

"Ein ausreichend starkes Vakuum mit einer einfachen Handpumpe erzeugt werden könnte", sagt Mezzenga ", die das System ohne Strom betrieben werden erlauben würde."

Das System ist nahezu unbegrenzt skalierbar, so dass große Wassermengen kostengünstig gespeichert werden können.

Wenn toxische Substanzen durch den Filter gezogen werden, "kleben" sie hauptsächlich an den Proteinfasern, die zahlreiche Bindungsstellen aufweisen, an denen einzelne Metallionen andocken können. Die große Oberfläche der Aktivkohle kann jedoch auch große Mengen an Toxinen aufnehmen, was die Sättigung der Membranen verzögert.

Zusätzlich verleihen die Proteinfasern der Membran mechanische Festigkeit, und bei hohen Temperaturen können die eingefangenen Ionen chemisch in wertvolle metallische Nanopartikel umgewandelt werden.

Sehr hohe Leistung

Mezzenga ist begeistert über die Filterkapazität der Hybridmembran. Bei Versuchen mit Quecksilberchlorid, beispielsweise fiel die Quecksilberkonzentration in dem Filtrat mehr als 99.5 Prozent.

Die Effizienz war sogar noch höher mit einem toxischen Kaliumgoldcyanid Verbindung, wobei 99.98 Prozent der Verbindung an die Membran gebunden wurde, oder mit Bleisalze, wobei der Wirkungsgrad größer als 99.97 Prozent. Und mit radioaktivem Uran, 99.4 Prozent der ursprünglichen Konzentration wurde während der Filtration gebunden.

"Wir diese hohen Werte in nur einem Durchgang erreicht", sagt Bolisetty.

Auch über mehrere Durchgänge, filtert die Hybridmembran aus toxischen Substanzen mit einem hohen Grad an Zuverlässigkeit. Obwohl die Quecksilberkonzentration in der um den Faktor erhöht 10 Filtrat aus 0.4 ppm (Teile pro Millionen) ppm bis 4.2 nach 10 spielt die verwendete Menge an Protein war extrem niedrig.

Um einen halben Liter kontaminiertes Wasser zu filtern, verwendeten die Forscher eine Membran mit einem Gewicht von nur einem Zehntel Gramm, von denen 10 Gewichtsprozent aus Proteinfasern bestanden.

"Ein Kilo Molkenprotein ausreichen würde 90,000 Liter Wasser zu reinigen", sagt Mezzenga.

Dies legt nahe, kann die Effizienz, indem mehr Eiweißgehalt in der Membran erhöht werden, fügt er hinzu, die Flexibilität dieses neuen Ansatzes zu betonen.

Mezzenga, der die Technologie patentiert hat, ist zuversichtlich, dass der Filter seinen Weg auf den Markt finden wird.

"Es gibt zahlreiche Anwendungen für sie, und Wasser ist eines der dringendsten Probleme, die wir heute konfrontiert sind", fügt er hinzu.

Quelle: ETH Zürich

Verwandte Buch:

at InnerSelf Market und Amazon