Ученые используют белок растительных отходов для очистки воды от тяжелых металлов

Ученые создали мембрану из отходов производства растительного масла, которая способна фильтровать тяжелые металлы из загрязненной воды. В ходе испытаний они показали, что этот процесс притяжения, называемый адсорбцией, способен очищать загрязненную воду до степени, соответствующей международным стандартам питьевой воды.

Исследовательская группа под руководством профессора Али Мизереса из Школы материаловедения и инженерии и Школы биологических наук и приглашенного профессора НТУ Раффаэле Меззенги с факультета медицинских наук и технологий ETHZ обнаружила, что белки, полученные из побочных продуктов Производство арахисового или подсолнечного масла может очень эффективно притягивать ионы тяжелых металлов.

В ходе испытаний они показали, что этот процесс притяжения, называемый адсорбцией, способен очищать загрязненную воду до степени, соответствующей международным стандартам питьевой воды.

Мембрана исследователей потенциально может стать дешевым, маломощным, устойчивым и масштабируемым методом очистки воды от тяжелых металлов.

Профессор Мисерес сказал: «Загрязнение воды остается серьезной глобальной проблемой во многих частях мира. Тяжелые металлы представляют собой большую группу загрязнителей воды, которые могут накапливаться в организме человека, вызывая рак и мутагенные заболевания. Современные технологии для их удаления – это энергетика. -интенсивны, требуют энергии для работы или очень избирательны в том, что фильтруют».

«Наши мембраны на основе белка создаются с помощью экологически чистого и устойчивого процесса, и для их работы практически не требуется электроэнергия, что делает их пригодными для использования во всем мире, особенно в менее развитых странах. Наша работа ставит тяжелый металл на место - как музыкальный жанр, а не загрязнитель питьевой воды», — сказал профессор Мисерес.

Результаты исследования группы были опубликованы в Химико-технологический журнал в апреле. Их исследовательская направленность по обеспечению водной безопасности соответствует стратегическому плану NTU 2025 и цели университета по смягчению воздействия человечества на окружающую среду.

Превращение растительного шрота в фильтры для воды

При производстве коммерческих бытовых растительных масел образуются побочные продукты, называемые шротами масличных культур. Это богатые белком остатки, которые остаются после извлечения масла из сырого растения.

Исследовательская группа под руководством НТУ использовала шроты из двух распространенных растительных масел: подсолнечного и арахисового. После извлечения белков из жмыха масличных семян команда превратила их в наноразмерные белковые амилоидные фибриллы, которые представляют собой веревочные структуры, состоящие из плотно скрученных белков. Эти белковые фибриллы притягиваются к тяжелым металлам и действуют как молекулярное сито, улавливая ионы тяжелых металлов, когда они проходят мимо.

Килограмм шрота дает около 160 г белка.

Первый автор статьи, аспирант НТУ г-н Сун Вэй Лун, сказал: «Богатый белком шрот подсолнечника и арахиса представляет собой недорогое сырье, из которого белок можно экстрагировать, изолировать и самоорганизовать в функциональные амилоидные фибриллы для тяжелых Удаление металлов Впервые амилоидные фибриллы были получены из белков подсолнечника и арахиса».

Исследователи объединили извлеченные амилоидные фибриллы с активированным углем — широко используемым фильтрующим материалом — чтобы сформировать гибридную мембрану. Они протестировали свои мембраны на трех распространенных загрязнителях тяжелых металлов: платине, хроме и свинце.

Когда загрязненная вода протекает через мембрану, ионы тяжелых металлов прилипают к поверхности амилоидных фибрилл – этот процесс называется адсорбцией. Высокое соотношение поверхности к объему амилоидных фибрилл делает их эффективными в адсорбции большого количества тяжелых металлов.

Команда обнаружила, что их мембраны фильтруют до 99,89 процентов тяжелых металлов. Среди трех протестированных металлов фильтр оказался наиболее эффективным для свинца и платины, за которыми следовал хром.

«Фильтр можно использовать для фильтрации любых видов тяжелых металлов, а также органических загрязнителей, таких как PFAS (перфторалкильные и полифторалкильные вещества), которые представляют собой химические вещества, которые используются в широком спектре потребительских и промышленных товаров», - сказал профессор Мисерес. . «Амилоидные фибриллы содержат аминокислотные связи, которые улавливают и помещают между собой частицы тяжелых металлов, пропуская при этом воду».

Исследователи говорят, что концентрация тяжелых металлов в загрязненной воде будет определять, какой объем воды сможет отфильтровать мембрана. Гибридной мембране, изготовленной из амилоидов белка подсолнечника, потребуется всего 16 кг белка для фильтрации эквивалентного объема бассейна олимпийских размеров, загрязненного 400 частями на миллиард (частей на миллиард) свинца, в питьевую воду.

«Этот процесс легко масштабируется благодаря его простоте и минимальному использованию химических реагентов, что указывает на устойчивые и недорогие технологии очистки воды», - сказал г-н Сун. «Это позволяет нам перерабатывать потоки отходов для дальнейшего применения и полностью использовать различные промышленные пищевые отходы в полезных технологиях.

Захваченные металлы также можно извлечь и подвергнуть дальнейшей переработке. После фильтрации мембрану, используемую для улавливания металлов, можно просто сжечь, оставив после себя металлы.

«Хотя такие металлы, как свинец или ртуть, ядовиты и их можно безопасно утилизировать, другие металлы, такие как платина, находят ценное применение при создании электроники и другого чувствительного оборудования», — сказал профессор Мисерез.

«Для извлечения драгоценной платины, стоимость которой составляет 33 000 долларов США за кг, требуется всего 32 кг белка, а для извлечения золота, стоимость которого составляет почти 60 000 долларов США за кг, требуется всего 16 кг белка. Учитывая, что эти белки получают из промышленных отходов, стоит менее 1 доллара США за кг, это дает большую экономическую выгоду».

Устойчивая фильтрация с низким энергопотреблением

Соавтор статьи, профессор Раффаэле Меззенга, ранее в 2016 году обнаружил, что сывороточные белки, полученные из коровьего молока, обладают схожими свойствами притягивать металлы.

Исследователи поняли, что белки из растительного шрота также могут иметь аналогичные свойства. Их эксперименты показали, что эти белки не только столь же эффективны, но также дешевле и экологичнее, поскольку они используют отходы, которые в противном случае были бы выброшены или использованы в качестве корма для животных.

Еще одним большим преимуществом, по словам исследователей, является то, что эта фильтрация требует мало энергии или вообще ее не требует, в отличие от других методов, таких как обратный осмос, которые требуют электричества.

«В нашей мембране большую часть или всю работу выполняет гравитация», — сказал профессор Меззенга. «Этот метод маломощной фильтрации может быть очень полезен в районах, где доступ к электричеству и мощности может быть ограничен.