Загрязнение воды химическими веществами, используемыми в современных технологиях, является быстро растущей проблемой во всем мире. Недавнее исследование Центров по контролю заболеваний США показало, что 98 процентов протестированных людей имели в кровотоке обнаруживаемые уровни ПФАС, семейства особо стойких соединений, также известных как «вечные химические вещества».
Новый фильтрующий материал, разработанный исследователями из Массачусетского технологического института, может обеспечить природное решение этой сложной проблемы загрязнения. Материал на основе натурального шелка и целлюлозы способен удалять широкий спектр стойких химикатов, а также тяжелые металлы. А его антимикробные свойства могут помочь предотвратить засорение фильтров. Результаты описаны в журнале ACS Nano, в статье постдока Массачусетского технологического института Илина Чжана, профессора гражданской и экологической инженерии Бенедетто Марелли и четырех других сотрудников Массачусетского технологического института.
Химические вещества PFAS присутствуют в широком спектре продуктов, включая косметику, упаковку пищевых продуктов, водостойкую одежду, пены для пожаротушения и антипригарное покрытие для посуды. Недавнее исследование выявило 57000 объектов, загрязненных этими химикатами, только в США. По оценкам Агентства по охране окружающей среды США, восстановление PFAS будет стоить 1,5 миллиарда долларов в год, чтобы соответствовать новым правилам, которые требуют ограничения содержания этого соединения в питьевой воде до уровня менее 7 частей на триллион. Загрязнение ПФАС и подобными соединениями «на самом деле является очень серьезной проблемой, и нынешние решения могут лишь частично решить эту проблему очень эффективно и экономично», — говорит Чжан. «Вот почему мы придумали это полностью натуральное решение на основе белка и целлюлозы», — говорит он.
«Мы пришли в проект случайно», — отмечает Марелли. Первоначальная технология, сделавшая возможным создание фильтрующего материала, была разработана его группой для совершенно несвязанной цели — как способ создания системы маркировки для противодействия распространению поддельных семян, которые зачастую имеют низкое качество. Его команда разработала способ переработки белков шелка в однородные нанокристаллы, или «нанофибриллы», с помощью экологически безопасного метода капельного литья на водной основе при комнатной температуре.
Чжан предположил, что их новый нанофибриллярный материал может быть эффективным при фильтрации загрязнений, но первоначальные попытки использовать только шелковые нанофибриллы не сработали. Команда решила попробовать добавить еще один материал: целлюлозу, которая широко доступна и может быть получена из отходов сельскохозяйственной древесной массы. Исследователи использовали метод самосборки, при котором белок фиброин шелка суспендируется в воде, а затем превращается в нанофибриллы, вставляя «зародыши» нанокристаллов целлюлозы. Это приводит к тому, что ранее неупорядоченные молекулы шелка выстраиваются вместе вдоль семян, образуя основу гибридного материала с совершенно новыми свойствами.
Интегрировав целлюлозу в фибриллы на основе шелка, которые можно было сформировать в тонкую мембрану, а затем настроив электрический заряд целлюлозы, исследователи создали материал, который оказался очень эффективным в удалении загрязнений в лабораторных испытаниях. Они обнаружили, что электрический заряд целлюлозы также придает ей сильные антимикробные свойства. Это значительное преимущество, поскольку одной из основных причин выхода из строя фильтрующих мембран является засорение бактериями и грибками. По словам исследователей, антимикробные свойства этого материала должны значительно уменьшить проблему загрязнения.
«Эти материалы действительно могут конкурировать с нынешними стандартными материалами для фильтрации воды, когда дело доходит до извлечения ионов металлов и возникающих примесей, а также могут превзойти некоторые из них в настоящее время», — говорит Марелли. В ходе лабораторных испытаний материалы смогли извлечь из воды на несколько порядков больше загрязняющих веществ, чем используемые в настоящее время стандартные материалы — активированный уголь или гранулированный активированный уголь. По словам Марелли, хотя новая работа служит доказательством принципа, команда планирует продолжать работу над улучшением материала, особенно с точки зрения долговечности и доступности исходных материалов. Хотя используемые протеины шелка могут быть доступны в качестве побочного продукта шелковой текстильной промышленности, если этот материал будет масштабироваться для удовлетворения глобальных потребностей в фильтрации воды, поставок может быть недостаточно. Кроме того, альтернативные белковые материалы могут выполнять ту же функцию с меньшими затратами.
Первоначально этот материал, скорее всего, будет использоваться в качестве точечного фильтра, который можно будет прикрепить к кухонному крану, говорит Чжан. В конечном итоге его можно будет расширить для фильтрации муниципального водоснабжения, но только после того, как испытания покажут, что это не создаст никакого риска загрязнения системы водоснабжения. Но одно большое преимущество материала, по его словам, заключается в том, что и шелк, и целлюлоза считаются веществами, пригодными для употребления в пищу, поэтому любое загрязнение маловероятно.«Большинство обычных материалов, доступных сегодня, сосредоточены на одном классе загрязнений или решают отдельные проблемы», — говорит Чжан. «Я думаю, что мы одни из первых, кто решит все эти проблемы одновременно».
«Что мне нравится в этом подходе, так это то, что он использует только натуральные материалы, такие как шелк и целлюлоза, для борьбы с загрязнением», — говорит Ханнес Шнипп, профессор прикладных наук в Колледже Уильяма и Мэри, который не был связан с этой работой. «В конкурирующих подходах используются синтетические материалы, которые обычно требуют лишь большего количества химии, чтобы бороться с некоторыми неблагоприятными последствиями, к которым приводит химия. [Эта работа] разрывает этот порочный круг! … Если это можно будет производить массово экономически жизнеспособным способом, это действительно может иметь большое значение».
