Wissenschaftler nutzen Protein in Pflanzenabfällen, um Schwermetallwasser zu reinigen

Wissenschaftler haben aus einem Abfallprodukt der Pflanzenölproduktion eine Membran entwickelt, die Schwermetalle aus verunreinigtem Wasser herausfiltern kann. In Tests zeigten sie, dass dieser Anziehungsprozess, Adsorption genannt, in der Lage ist, kontaminiertes Wasser so weit zu reinigen, dass es internationalen Trinkstandards entspricht.

Das Forschungsteam unter der Leitung von Professor Ali Miserez von der School of Materials Science & Engineering und der School of Biological Sciences und NTU-Gastprofessor Raffaele Mezzenga vom Department of Health Science and Technology der ETHZ entdeckte, dass Proteine ​​aus den Nebenprodukten von abgeleitet sind Durch die Herstellung von Erdnuss- oder Sonnenblumenöl können Schwermetallionen sehr effektiv angezogen werden.

In Tests zeigten sie, dass dieser Anziehungsprozess, Adsorption genannt, in der Lage ist, kontaminiertes Wasser so weit zu reinigen, dass es internationalen Trinkstandards entspricht.

Die Membran der Forscher hat das Potenzial, eine kostengünstige, stromsparende, nachhaltige und skalierbare Methode zur Dekontamination von Schwermetallen aus Wasser zu sein.

Prof. Miserez sagte: „Wasserverschmutzung bleibt in vielen Teilen der Welt ein großes globales Problem. Schwermetalle stellen eine große Gruppe von Wasserschadstoffen dar, die sich im menschlichen Körper ansammeln und Krebs und mutagene Krankheiten verursachen können. Aktuelle Technologien zu ihrer Entfernung sind Energie.“ -intensiv, erfordern Strom für den Betrieb oder sind sehr selektiv in dem, was sie filtern.'

„Unsere proteinbasierten Membranen werden durch einen umweltfreundlichen und nachhaltigen Prozess hergestellt und benötigen für ihren Betrieb wenig bis gar keinen Strom, sodass sie überall auf der Welt und insbesondere in weniger entwickelten Ländern eingesetzt werden können. Unsere Arbeit bringt Schwermetall dorthin, wo es hingehört – „Es ist ein Musikgenre und kein Schadstoff im Trinkwasser“, sagte Prof. Miserez.

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden in veröffentlicht Zeitschrift für Chemieingenieurwesen im April. Ihr Forschungsschwerpunkt bei der Gewährleistung der Wassersicherheit steht im Einklang mit dem strategischen Plan 2025 der NTU und dem Ziel der Universität, die Auswirkungen der Menschheit auf die Umwelt zu mildern.

Umwandlung von Pflanzenölsamenmehlen in Wasserfilter

Bei der Produktion kommerzieller Pflanzenöle für den Haushalt entstehen Abfallnebenprodukte, sogenannte Ölsaatenmehle. Dabei handelt es sich um die proteinreichen Reste, die nach der Gewinnung des Öls aus der Rohpflanze übrig bleiben.

Das von der NTU geleitete Forschungsteam verwendete Ölsamenmehle aus zwei gängigen Pflanzenölen, Sonnenblumen- und Erdnussöl. Nachdem das Team die Proteine ​​aus Ölsaatenmehl extrahiert hatte, wandelte es sie in nanogroße Protein-Amyloidfibrillen um, bei denen es sich um seilartige Strukturen aus eng gewickelten Proteinen handelt. Diese Proteinfibrillen werden von Schwermetallen angezogen und wirken wie ein Molekularsieb, das vorbeiziehende Schwermetallionen einfängt.

Ein Kilogramm Ölsaatenschrot ergibt etwa 160 g Protein.

Der Erstautor des Papiers, NTU-Doktorand Herr Soon Wei Long, sagte: „Proteinreiche Sonnenblumen- und Erdnussmehle sind kostengünstige Rohstoffe, aus denen Protein extrahiert, isoliert und selbst zu funktionellen Amyloidfibrillen für schwere Zwecke zusammengesetzt werden kann.“ Dies ist das erste Mal, dass Amyloidfibrillen aus Sonnenblumen- und Erdnussproteinen gewonnen werden.“

Die Forscher kombinierten die extrahierten Amyloidfibrillen mit Aktivkohle – einem häufig verwendeten Filtermaterial –, um eine Hybridmembran zu bilden. Sie testeten ihre Membranen auf drei gängige Schwermetallschadstoffe: Platin, Chrom und Blei.

Wenn kontaminiertes Wasser durch die Membran fließt, haften die Schwermetallionen an der Oberfläche der Amyloidfibrillen – ein Vorgang, der Adsorption genannt wird. Das hohe Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis der Amyloidfibrillen sorgt dafür, dass sie eine große Menge an Schwermetallen effizient adsorbieren.

Das Team stellte fest, dass ihre Membranen bis zu 99,89 Prozent der Schwermetalle filterten. Unter den drei getesteten Metallen war der Filter bei Blei und Platin am wirksamsten, gefolgt von Chrom.

„Der Filter kann zum Filtern aller Arten von Schwermetallen und auch organischer Schadstoffe wie PFAS (Perfluoralkyl- und Polyfluoralkylsubstanzen) verwendet werden, bei denen es sich um Chemikalien handelt, die in einer Vielzahl von Verbraucher- und Industrieprodukten verwendet werden“, sagte Prof. Miserez . „Die Amyloidfibrillen enthalten Aminosäurebindungen, die Schwermetallpartikel zwischen sich einschließen und einschließen, während Wasser durchgelassen wird.“

Die Forscher sagen, dass die Schwermetallkonzentration im kontaminierten Wasser darüber entscheidet, wie viel Wasser die Membran herausfiltern kann. Eine Hybridmembran aus Sonnenblumenproteinamyloiden benötigt nur 16 kg Protein, um das entsprechende Volumen eines olympischen Schwimmbeckens, das mit 400 Teilen pro Milliarde (ppb) Blei kontaminiert ist, in Trinkwasser zu filtern.

„Der Prozess ist aufgrund seiner Einfachheit und des minimalen Einsatzes chemischer Reagenzien leicht skalierbar und weist auf nachhaltige und kostengünstige Wasseraufbereitungstechnologien hin“, sagte Herr Soon. „Dies ermöglicht es uns, Abfallströme für weitere Anwendungen aufzubereiten und verschiedene industrielle Lebensmittelabfälle vollständig in nützliche Technologien umzuwandeln.“

Die eingeschlossenen Metalle können ebenfalls extrahiert und weiter recycelt werden. Nach der Filtration kann die zum Einfangen der Metalle verwendete Membran einfach verbrannt werden, wobei die Metalle zurückbleiben.

„Während Metalle wie Blei oder Quecksilber giftig sind und sicher entsorgt werden können, finden andere Metalle wie Platin wertvolle Anwendungen bei der Herstellung von Elektronik und anderen empfindlichen Geräten“, sagte Prof. Miserez.

„Für die Rückgewinnung von wertvollem Platin, das 33.000 US-Dollar/kg kostet, sind nur 32 kg Protein erforderlich, während für die Rückgewinnung von Gold, das fast 60.000 US-Dollar/kg wert ist, nur 16 kg Protein erforderlich sind. Wenn man bedenkt, dass diese Proteine ​​aus Industrieabfällen gewonnen werden, ist das der Fall.“ ist weniger als 1 US-Dollar/kg wert, es gibt große Kostenvorteile.'

Nachhaltige Filterung mit geringem Stromverbrauch

Der Co-Autor des Papiers, Prof. Raffaele Mezzenga, hatte bereits 2016 entdeckt, dass Molkenproteine, die aus der Milch von Kühen gewonnen werden, ähnliche metallanziehende Eigenschaften haben.

Die Forscher erkannten, dass auch Proteine ​​aus Pflanzenölsamenmehl ähnliche Eigenschaften haben könnten. Ihre Experimente zeigten, dass diese Proteine ​​nicht nur genauso wirksam, sondern auch billiger und nachhaltiger waren, da sie Abfälle verwerteten, die andernfalls weggeworfen oder als Nahrung für Tierfutter verwendet würden.

Ein weiterer großer Vorteil, sagen die Forscher, besteht darin, dass diese Filtration im Gegensatz zu anderen Methoden wie der Umkehrosmose, die Strom benötigen, wenig oder gar keine Energie benötigt.

„Bei unserer Membran übernimmt die Schwerkraft den größten Teil oder die gesamte Arbeit“, sagte Prof. Mezzenga. „Diese Filtermethode mit geringem Stromverbrauch kann in Bereichen sehr nützlich sein, in denen möglicherweise nur begrenzter Zugang zu Strom und Strom besteht.“