Neues "Schweizer Taschenmesser" beseitigt Wasserverschmutzung
Der neue Schwamm, der zuerst zum Aufsaugen von Öl im Wasser verwendet wurde, bindet überschüssiges Phosphat aus dem Wasser
Die Phosphatverschmutzung in Flüssen, Seen und anderen Gewässern hat ein gefährliches Ausmaß erreicht und verursacht Algenblüten, die Fische und Wasserpflanzen mit Sauerstoff versorgen. Währenddessen müssen sich Landwirte weltweit mit schwindenden Phosphatdünger-Reserven abfinden, die die Hälfte der weltweiten Nahrungsmittelversorgung sichern.
Die Co-Autoren Vinayak Dravid und Stephanie Ribet untersuchen ihr Substrat zur Phosphateliminierung und -rückgewinnung
Northwestern University
Inspiriert von den vielen Gewässern in der Nähe von Chicago hat ein Team unter Leitung der Northwestern University einen Weg entwickelt, Phosphat wiederholt aus verschmutzten Gewässern zu entfernen und wiederzuverwenden. Die Forscher vergleichen die Entwicklung mit einem "Schweizer Taschenmesser" für die Sanierung von Verschmutzungen, da sie ihre Membran so anpassen, dass sie andere Schadstoffe absorbieren und später wieder abgeben kann.
Die Forschungsergebnisse werden in der Woche vom 31. Mai in den Proceedings of the National Academy of Science veröffentlicht.
Phosphor ist die Grundlage sowohl für das weltweite Nahrungsmittelsystem als auch für alles Leben auf der Erde. Jeder lebende Organismus auf dem Planeten benötigt ihn: Phosphor ist in Zellmembranen, dem Gerüst der DNA und in unserem Skelett enthalten. Obwohl andere Schlüsselelemente wie Sauerstoff und Stickstoff in der Atmosphäre zu finden sind, hat Phosphor kein Analogon. Der kleine Bruchteil an nutzbarem Phosphor stammt aus der Erdkruste, die Tausende oder sogar Millionen von Jahren braucht, um zu verwittern. Und unsere Minen gehen zur Neige.
In einem Artikel von Julia Rosen in The Atlantic aus dem Jahr 2021 wird ein Essay von Isaac Asimov aus dem Jahr 1939 zitiert, in dem der amerikanische Schriftsteller und Chemiker Phosphor als "Flaschenhals des Lebens" bezeichnete.
Angesichts der Knappheit dieser nicht erneuerbaren natürlichen Ressource ist es eine traurige Ironie, dass viele unserer Seen unter einem Prozess leiden, der als Eutrophierung bekannt ist, die auftritt, wenn zu viele Nährstoffe in eine natürliche Wasserquelle gelangen. Wenn sich Phosphat und andere Mineralien ansammeln, werden Wasservegetation und Algen zu dicht, was dem Wasser den Sauerstoff entzieht und schließlich das Leben im Wasser tötet.
"Früher haben wir Phosphat viel mehr wiederverwendet", sagt Stephanie Ribet, die Erstautorin der Studie. "Jetzt ziehen wir es einfach aus dem Boden, verwenden es einmal und spülen es nach dem Gebrauch in Wasserquellen. Es ist also ein Verschmutzungsproblem, ein Nachhaltigkeitsproblem und ein Problem der Kreislaufwirtschaft."
Ökologen und Ingenieure haben traditionell Taktiken entwickelt, um die zunehmenden Umwelt- und Gesundheitsprobleme im Zusammenhang mit Phosphat zu lösen, indem sie Phosphat aus den Wasserquellen entfernen. Erst in jüngster Zeit hat sich der Schwerpunkt von der Entfernung auf die Rückgewinnung von Phosphat verlagert.
"Man kann immer bestimmte Dinge in einer Laborumgebung tun", sagte Vinayak Dravid, der korrespondierende Autor der Studie. "Aber es gibt ein Venn-Diagramm, wenn es um die Skalierung geht, wo man in der Lage sein muss, die Technologie zu skalieren, man will, dass sie effektiv ist und man will, dass sie bezahlbar ist. In dieser Schnittmenge der drei gab es bisher nichts, aber unser Schwamm scheint eine Plattform zu sein, die all diese Kriterien erfüllt."
Dravid ist der Abraham Harris Professor of Materials Science and Engineering an der McCormick School of Engineering der Northwestern University, Gründungsdirektor des Northwestern University Atomic and Nanoscale Characterization Experimental Center (NUANCE) und Direktor der Soft and Hybrid Nanotechnology Experimental Resource (SHyNE). Dravid ist außerdem Direktor für globale Initiativen des International Institute of Nanotechnology der Northwestern University. Ribet ist Doktorand in Dravids Labor und Erstautor der Arbeit.
Die PEARL-Membran (Phosphate Elimination and Recovery Lightweight) des Teams ist ein poröses, flexibles Substrat (z. B. ein beschichteter Schwamm, Stoff oder Fasern), das selektiv bis zu 99 % der Phosphat-Ionen aus verschmutztem Wasser bindet. Beschichtet mit Nanostrukturen, die an Phosphat binden, kann die PEARL-Membran durch Steuerung des pH-Werts so eingestellt werden, dass sie entweder Nährstoffe absorbiert oder freigibt, um eine Phosphatrückgewinnung und eine Wiederverwendung der Membran für viele Zyklen zu ermöglichen.
Aktuelle Methoden zur Entfernung von Phosphat basieren auf komplexen, langwierigen, mehrstufigen Verfahren. Die meisten von ihnen gewinnen das Phosphat während der Entfernung nicht zurück und erzeugen letztendlich eine große Menge an physikalischem Abfall. Die PEARL-Membran bietet ein einfaches einstufiges Verfahren zur Entfernung von Phosphat, das dieses auch effizient zurückgewinnt. Sie ist außerdem wiederverwendbar und erzeugt keinen physikalischen Abfall.
Anhand von Proben aus dem Chicago Water Reclamation District testeten die Forscher ihre Theorie mit der zusätzlichen Komplexität echter Wasserproben.
"Wir nennen dies oft eine 'nanoskalige Lösung für ein Gigatonnen-Problem'", sagte Dravid. "In vielerlei Hinsicht haben die Wechselwirkungen auf der Nanoskala, die wir untersuchen, Auswirkungen auf die Sanierung auf Makroebene."
Das Team hat gezeigt, dass der auf Schwämmen basierende Ansatz auf Skalen von Milligramm bis Kilogramm wirksam ist, was eine noch weitergehende Skalierung verspricht.
Diese Forschung baut auf einer früheren Entwicklung desselben Teams auf - Vikas Nandwana, ein Mitglied der Dravid-Gruppe und Co-Autor der vorliegenden Studie, war der Erstautor -, dem sogenannten OHM-Schwamm (oleophiler hydrophober multifunktionaler Schwamm), der dieselbe Schwamm-Plattform zur selektiven Entfernung und Rückgewinnung von Öl verwendet, das aus einer Ölverschmutzung im Wasser stammt. Durch die Modifizierung der Nanomaterialbeschichtung in der Membran plant das Team, ihr Plug-and-Play"-ähnliches Gerüst als nächstes zur Bekämpfung von Schwermetallen einzusetzen. Ribet sagte auch, dass mehrere Schadstoffe auf einmal angegangen werden könnten, indem mehrere Materialien mit maßgeschneiderten Affinitäten verwendet werden.
"Diese Herausforderung der Wassersanierung ist so nah an unserem Zuhause", sagte Ribet. "Das westliche Einzugsgebiet des Eriesees ist eines der Hauptgebiete, an das man denkt, wenn es um Eutrophierung geht, und es hat mich inspiriert, mehr über die Herausforderungen der Wassersanierung in unserer Nachbarschaft der Großen Seen zu erfahren."
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Originalveröffentlichung
"Phosphate Elimination and Recovery Lightweight (PEARL) Membrane: A Sustainable Environmental Remediation Approach"; Proceedings of the National Academy of Sciences; 2021
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