Doğal ipek ve selüloz bazlı membranlar, ağır metaller de dahil olmak üzere "kalıcı kimyasallar" gibi birçok kirleticiyi uzaklaştırabilir... Günümüz teknolojisinde kullanılan kimyasalların su kirliliği küresel olarak hızla büyüyen bir sorundur. ABD Hastalık Kontrol Merkezleri tarafından yakın zamanda yapılan bir araştırma, test edilen kişilerin yüzde 98'inin kan dolaşımında tespit edilebilir seviyelerde PFAS bulunduğunu buldu. Bu, "sonsuza kadar kimyasallar" olarak da bilinen, özellikle uzun süre kalıcı bileşiklerden oluşan bir ailedir.
MIT'deki araştırmacılar tarafından geliştirilen yeni bir filtrasyon malzemesi, bu inatçı kirlenme sorununa doğa temelli bir çözüm sağlayabilir. Doğal ipek ve selüloza dayanan malzeme, bu kalıcı kimyasalların yanı sıra ağır metallerin de geniş bir yelpazesini giderebilir. Ayrıca, antimikrobiyal özellikleri filtrelerin kirlenmesini önlemeye yardımcı olabilir.
Bulgular, MIT doktora sonrası Yilin Zhang, inşaat ve çevre mühendisliği profesörü Benedetto Marelli ve MIT'den dört kişi tarafından yazılan bir makalede ACS Nano dergisinde açıklanmıştır.
PFAS kimyasalları, kozmetikler, gıda ambalajları, suya dayanıklı giysiler, yangın söndürme köpükleri ve pişirme kapları için yapışmaz kaplamalar dahil olmak üzere çok çeşitli ürünlerde mevcuttur. Yakın zamanda yapılan bir araştırma, yalnızca ABD'de bu kimyasallarla kirlenmiş 57.000 yer tespit etti. ABD Çevre Koruma Ajansı, içme suyunda bileşiğin trilyonda 7 parçadan az olması gerektiğini belirten yeni yönetmelikleri karşılamak için PFAS ıslahının yılda 1,5 milyar dolara mal olacağını tahmin ediyor.
PFAS ve benzeri bileşiklerle kirlenme "aslında çok büyük bir sorun ve mevcut çözümler bu sorunu çok verimli veya ekonomik bir şekilde ancak kısmen çözebilir" diyor Zhang. "Bu yüzden bu protein ve selüloz bazlı, tamamen doğal çözümü bulduk" diyor.
"Projeye şans eseri geldik" diyor Marelli. Filtreleme malzemesini mümkün kılan ilk teknoloji, grubu tarafından tamamen alakasız bir amaç için geliştirildi - sahte tohumların yayılmasını önlemek için bir etiketleme sistemi yapmanın bir yolu olarak, ki bu tohumlar genellikle düşük kalitededir. Ekibi, oda sıcaklığında çevre dostu, su bazlı bir damla döküm yöntemi kullanarak ipek proteinlerini tek tip nano ölçekli kristallere veya "nanofibrillere" dönüştürmenin bir yolunu geliştirdi.
Zhang, yeni nanofibriller malzemelerinin kirleticileri filtrelemede etkili olabileceğini öne sürdü, ancak ipek nanofibrilleriyle yapılan ilk girişimler tek başına işe yaramadı. Ekip, bol miktarda bulunan ve tarımsal odun hamuru atıklarından elde edilebilen selüloz gibi başka bir malzeme eklemeyi denemeye karar verdi. Araştırmacılar, ipek fibroin proteininin suda süspanse edildiği ve daha sonra selüloz nanokristallerinin "tohumları" eklenerek nanofibrillere dönüştürüldüğü bir kendi kendine montaj yöntemi kullandılar. Bu, daha önce düzensiz olan ipek moleküllerinin tohumlar boyunca sıralanmasına ve belirgin yeni özelliklere sahip bir hibrit malzemenin temelini oluşturmasına neden olur.
Selülozu, ince bir zar haline getirilebilen ipek bazlı fibrillere entegre ederek ve ardından selülozun elektrik yükünü ayarlayarak, araştırmacılar laboratuvar testlerinde kirleticileri gidermede oldukça etkili olan bir malzeme ürettiler.
Araştırmacılar, ince bir zar haline getirilebilen ipek bazlı fibrillere selüloz entegre ederek ve ardından selülozun elektrik yükünü ayarlayarak, laboratuvar testlerinde kirleticileri gidermede oldukça etkili olan bir malzeme ürettiler.
Selülozun elektrik yükünün, ona güçlü antimikrobiyal özellikler de kazandırdığını buldular. Bu önemli bir avantajdır, çünkü filtrasyon membranlarındaki arızaların başlıca nedenlerinden biri bakteri ve mantarların kirlenmesidir. Araştırmacılar, bu malzemenin antimikrobiyal özelliklerinin bu kirlenme sorununu büyük ölçüde azaltması gerektiğini söylüyor.
Marelli, "Bu malzemeler, metal iyonlarını ve bu yeni ortaya çıkan kirleticileri çıkarma konusunda su filtrasyonunda mevcut standart malzemelerle gerçekten rekabet edebilir ve ayrıca şu anda bazılarından daha iyi performans gösterebilirler" diyor. Laboratuvar testlerinde, malzemeler sudan şu anda kullanılan standart malzemelerden, aktif karbon veya granül aktif karbondan çok daha fazla kirleticiyi çıkarabildi.
Marelli, yeni çalışmanın bir ilke kanıtı olarak hizmet ettiğini söylerken, ekibin özellikle dayanıklılık ve kaynak malzemelerin bulunabilirliği açısından malzemeyi iyileştirmek için çalışmaya devam etmeyi planladığını söylüyor. Kullanılan ipek proteinleri ipek tekstil endüstrisinin bir yan ürünü olarak mevcut olsa da, bu malzeme küresel su filtrasyon ihtiyaçlarını karşılamak için ölçeklendirilirse, tedarik yetersiz olabilir. Ayrıca, alternatif protein malzemeleri daha düşük maliyetle aynı işlevi görebilir.
Zhang, başlangıçta malzemenin büyük ihtimalle bir mutfak musluğuna takılabilecek bir kullanım noktası filtresi olarak kullanılacağını söylüyor. Sonunda, belediye su kaynakları için filtrasyon sağlamak üzere ölçeklendirilebilir, ancak yalnızca testler bunun su kaynağına herhangi bir kirlenme getirme riski oluşturmayacağını gösterdikten sonra. Ancak, malzemenin en büyük avantajlarından biri, hem ipeğin hem de selüloz bileşenlerinin gıda sınıfı maddeler olarak kabul edilmesi, bu nedenle herhangi bir kirlenmenin olası olmamasıdır.
Zhang şöyle diyor: "Günümüzde kullanılan yaygın malzemeler genellikle yalnızca bir tür kirleticiyi hedef alıyor veya sadece tek bir sorunu çözüyor. Biz ise, bu sorunların tümünü aynı anda ele alan ilk kişilerden biri olduğumuzu düşünüyorum."
Bu çalışmayla ilgisi olmayan William ve Mary Koleji'nde uygulamalı bilim profesörü olan Hannes Schniepp, "Bu yaklaşımda sevdiğim şey, kirlilikle mücadele etmek için yalnızca ipek ve selüloz gibi doğal olarak yetiştirilen malzemeler kullanması," diyor. “Rekabet eden yaklaşımlarda, sentetik malzemeler kullanılır — bunlar genellikle kimyanın ürettiği olumsuz sonuçlardan bazılarıyla mücadele etmek için daha fazla kimya gerektirir. [Bu çalışma] bu döngüyü kırar! ... Eğer bu ekonomik olarak uygulanabilir bir şekilde seri üretilebilirse, bunun gerçekten büyük bir etkisi olabilir.”
Araştırma ekibinde MIT doktora sonrası araştırmacıları Hui Sun ve Meng Li, lisansüstü öğrencisi Maxwell Kalinowski ve şu anda Yale Üniversitesi'nde doktora sonrası araştırmacı olan yeni mezun Yunteng Cao PhD ’22 yer aldı. Çalışma, ABD Deniz Araştırmaları Ofisi, ABD Ulusal Bilim Vakfı ve Singapur-MIT Araştırma ve Teknoloji İttifakı tarafından desteklendi.
by David L. Chandler | MIT News
Kommentare