Загрязнение воды химическими веществами, используемыми в современных технологиях, является быстрорастущей проблемой во всем мире. Недавнее исследование, проведенное Центром по контролю за заболеваниями США, показало, что у 98% протестированных людей в крови обнаруживаются уровни PFAS, семейства особо долговечных соединений, также известных как «вечные химикаты».
Новый фильтрующий материал, разработанный исследователями Массачусетского технологического института, может стать природным решением этой трудноразрешимой проблемы загрязнения. Материал, созданный на основе натурального шелка и целлюлозы, способен удалять широкий спектр стойких химических веществ, а также тяжелые металлы. Кроме того, его антимикробные свойства помогают предотвратить загрязнение фильтров. Результаты исследования описаны в журнале ACS Nano.
Химические вещества PFAS присутствуют в широком спектре продуктов, включая косметику, упаковку для продуктов питания, водонепроницаемую одежду, противопожарную пену и антипригарное покрытие для посуды. По оценкам Агентства по охране окружающей среды США, на ликвидацию последствий загрязнения PFAS потребуется 1,5 миллиарда долларов в год, чтобы соответствовать нормам, требующим ограничить содержание этих соединений в питьевой воде до уровня менее 7 частей на триллион.
«Загрязнение PFAS и подобными соединениями на самом деле является очень большой проблемой, и существующие способы могут лишь частично ее решить. Именно поэтому мы придумали этот полностью натуральный материал на основе шелка и целлюлозы», – говорит Чжан, автор работы.
Первоначальная технология, которая позволила создать фильтрующий материал, была разработана для совершенно другой цели – как способ создания системы маркировки для борьбы с распространением поддельных семян. Команда разработала способ переработки протеинов шелка в однородные наноразмерные кристаллы, или «нанофибриллы», с помощью экологически безопасного метода капельного литья на водной основе при комнатной температуре.
Чжан предположил, что новый материал может быть эффективен для фильтрации загрязнений, но первые попытки использовать только шелковые нанофибриллы не дали результата. Команда решила попробовать добавить еще один материал: целлюлозу, которая доступна и может быть получена из отходов сельскохозяйственной целлюлозы. Ученые использовали метод самосборки, при котором белок фиброина шелка суспендируется в воде, а затем формируется в нановолокна путем введения «семян» нанокристаллов целлюлозы. Это заставляет ранее неупорядоченные молекулы шелка выстраиваться вдоль семян, формируя основу гибридного материала с ярко выраженными новыми свойствами.
Встроив целлюлозу в фибриллы на основе шелка, которые можно было сформировать в тонкую мембрану, а затем настроив электрический заряд целлюлозы, исследователи получили материал, который оказался очень эффективным при удалении загрязнений в лабораторных испытаниях.
Электрический заряд целлюлозы также придает ей сильные антимикробные свойства. Это значительное преимущество, поскольку одной из основных причин выхода из строя фильтрационных мембран является загрязнение бактериями и грибками. Антимикробные свойства должны значительно уменьшить проблему загрязнения, говорят исследователи.
«Эти материалы действительно могут конкурировать с нынешними, когда речь идет об извлечении ионов металлов и новых загрязнителей, а также превосходить некоторые из них», – говорит Марелли, соавтор статьи. В лабораторных испытаниях материалы смогли извлечь из воды на порядок больше загрязняющих веществ, чем используемые в настоящее время системы или гранулированный активированный уголь.
Команда планирует продолжить работу над усовершенствованием материала, особенно с точки зрения долговечности и доступности. Хотя используемые протеины шелка могут быть получены как побочный продукт текстильной промышленности, если этот материал будет масштабироваться для удовлетворения глобальных потребностей в фильтрации воды, его поставок может оказаться недостаточно. Кроме того, может оказаться, что альтернативные белковые материалы выполняют ту же функцию с меньшими затратами.
По словам Чжана, на начальном этапе этот материал, скорее всего, будет использоваться в качестве фильтра точечного использования, который можно прикрепить к кухонному крану. В конечном итоге его можно будет использовать для фильтрации муниципальной воды, но только после того, как испытания покажут, что при этом не возникнет риска попадания загрязнений в водопровод. Одним из главных преимуществ материала является то, что и шелк, и целлюлоза, входящие в его состав, считаются пищевыми веществами, поэтому любое загрязнение маловероятно.
[Фото: сourtesy of Yilin Zhang and Benedetto Marelli]