Натуральный фильтрующий материал может удалять из воды стойкие химические вещества

Загрязнение воды химическими веществами, используемыми в современных технологиях, — быстро растущая глобальная проблема. Недавнее исследование CDC США показало, что у 98% протестированных людей в крови обнаруживаются PFAS — семейство особо стойких соединений, также известных как «вечные химикаты».

Новый фильтрующий материал, разработанный исследователями MIT, может предложить природное решение этой упорной проблемы. Материал на основе натурального шёлка и целлюлозы способен удалять из воды широкий спектр этих стойких веществ, а также ионы тяжёлых металлов. Его антимикробные свойства помогают предотвратить биозагрязнение фильтров.

Результаты опубликованы в журнале ACS Nano в статье постдока MIT Илина Чжана, профессора гражданского и экологического строительства Бенедетто Марелли и четырёх других учёных из MIT.

Химикаты PFAS содержатся в огромном ассортименте продукции: косметике, упаковке для еды, водостойкой одежде, противопожарной пене и антипригарных покрытиях для посуды. Недавнее исследование выявило 57 000 загрязнённых этими веществами участков только в США. Агентство по охране окружающей среды США (EPA) оценило стоимость ежегодной очистки от PFAS в $1,5 млрд для соответствия новым нормативам, ограничивающим содержание соединения в питьевой воде менее 7 частей на триллион.

Загрязнение PFAS и подобными соединениями — «действительно серьёзная проблема, и текущие решения могут лишь частично решить её эффективно или экономично», — говорит Чжан. Поэтому команда предложила полностью натуральное решение на основе белка и целлюлозы.

Идея материала родилась случайно. Первоначальная технология была разработана группой Марелли для совершенно другой цели — создания системы маркировки для борьбы с распространением контрафактных семян. Учёные нашли способ перерабатывать белки шёлка в однородные нанокристаллы, или «нанофибриллы», с помощью экологически безопасного водного метода осаждения при комнатной температуре.

Чжан предположил, что новый нанофибриллярный материал может быть эффективен для фильтрации загрязнителей, но первые попытки с одними лишь фибриллами шёлка не сработали. Команда решила добавить другой материал — целлюлозу, которая широко доступна и может быть получена из отходов древесной пульпы.

Исследователи использовали метод самосборки, при котором белок фиброин шёлка суспендируется в воде, а затем преобразуется в нанофибриллы с помощью «затравки» из нанокристаллов целлюлозы. Это заставляет ранее неупорядоченные молекулы шёлка выстраиваться вдоль затравки, формируя гибридный материал с новыми свойствами.

Интегрировав целлюлозу в фибриллы на основе шёлка, которые можно сформировать в тонкую мембрану, и настроив электрический заряд целлюлозы, исследователи получили материал, показавший высокую эффективность в удалении загрязнителей в лабораторных тестах.

Оказалось, что электрический заряд целлюлозы также придаёт материалу сильные антимикробные свойства. Это важное преимущество, поскольку одной из основных причин выхода из строя фильтрационных мембран является биозагрязнение бактериями и грибками. Антимикробные свойства нового материала должны значительно снизить эту проблему.

«Эти материалы действительно могут конкурировать с текущими стандартными материалами для фильтрации воды по извлечению ионов металлов и этих новых загрязнителей, а также превосходить некоторые из них», — говорит Марелли. В лабораторных тестах материалы извлекали на порядки больше загрязнителей из воды, чем стандартные материалы — активированный уголь или гранулированный активированный уголь.

Хотя новая работа служит доказательством концепции, команда планирует продолжить совершенствовать материал, особенно в плане долговечности и доступности исходных веществ. Белки шёлка могут быть доступны как побочный продукт текстильной промышленности, но для масштабирования под глобальные нужды водной фильтрации этого может быть недостаточно. Также альтернативные белковые материалы могут оказаться дешевле.

Изначально материал, вероятно, будет использоваться как фильтр для точки использования, который можно подключить к кухонному крану, говорит Чжан. В перспективе его можно масштабировать для муниципальных систем водоснабжения, но только после тестов, доказывающих отсутствие риска вторичного загрязнения воды. Большое преимущество материала в том, что и шёлк, и целлюлоза считаются пищевыми веществами, поэтому любое загрязнение маловероятно.

«Большинство доступных сегодня обычных материалов фокусируются на одном классе загрязнителей или решении одной проблемы, — говорит Чжан. — Я думаю, мы одни из первых, кто решает все эти задачи одновременно».

В исследовательскую группу также вошли постдоки MIT Хуэй Сунь и Мэн Ли, аспирант Максвелл Калиновски и недавний выпускник Юнтенг Цао, Ph.D., ныне постдок в Йеле.