Эффективность 99%: Инженеры из Принстона разработали новый способ удаления микропластика из воды

Микропластик — это крошечные частицы пластика размером менее 5 мм, которые встречаются в окружающей среде, в том числе в водных источниках. Эти частицы могут попадать в воду из различных источников, включая распад крупных пластиковых изделий, использование микробисера в средствах личной гигиены и выделение пластиковых волокон при стирке синтетической одежды. Микропластик был обнаружен в водопроводной воде, бутилированной воде и даже в океане, и его присутствие в окружающей среде вызывает беспокойство, поскольку он может попасть в организм морских обитателей и потенциально попасть в пищевую цепь.

Инженеры Принстонского инженерного института разработали экономически эффективный способ использования продуктов для завтрака для создания материала, способного удалять соль и микропластик из морской воды.

Исследователи использовали яичный белок для создания аэрогеля — универсального материала, известного своим легким весом и пористостью. Он находит широкое применение, включая фильтрацию воды, хранение энергии, звуко- и теплоизоляцию. Крейг Арнольд, профессор механической и аэрокосмической инженерии Сьюзен Дод Браун и заместитель декана по инновациям в Принстоне, возглавляет лабораторию, которая занимается созданием новых материалов, в том числе аэрогелей, для инженерных целей.

Однажды, сидя на собрании преподавателей, ему пришла в голову идея.

«Я сидел и смотрел на хлеб в своем сэндвиче», — говорит Арнольд. И я подумал: «Это именно та структура, которая нам нужна». Поэтому он попросил свою лабораторную группу приготовить различные рецепты хлеба с добавлением углерода, чтобы проверить, смогут ли они воссоздать нужную ему структуру аэрогеля. Поначалу ни один из них не давал желаемого результата, поэтому группа продолжала исключать ингредиенты по мере тестирования, пока в итоге не остался только яичный белок.

«Мы начали с более сложной системы, — говорит Арнольд, — и продолжали уменьшать, уменьшать, уменьшать, пока не дошли до сути. Именно белки яичного белка приводили к тем структурам, которые нам были нужны».

Структура аэрогеля образована графеновыми листами, натянутыми на сети углеродных волокон. Credit: Shaharyar Wani

Яичный белок представляет собой сложную систему практически чистого белка, который при сублимационной сушке и нагревании до 900 градусов Цельсия в среде без кислорода образует структуру из взаимосвязанных нитей углеродных волокон и листов графена. В работе, опубликованной 24 августа в журнале Materials Today, Арнольд и его соавторы показали, что полученный материал может удалять соль и микропластик из морской воды с эффективностью 98% и 99% соответственно.

«Яичные белки работали даже в том случае, если их предварительно обжаривали на плите или взбивали», — говорит Сехмус Озден, первый автор статьи. Озден — бывший постдокторский научный сотрудник Принстонского центра сложных материалов, в настоящее время он работает ученым в Исследовательском центре Aramco. По словам Оздена, в первых испытаниях использовались обычные магазинные яичные белки, однако другие аналогичные белки, имеющиеся в продаже, дали такие же результаты.

«Яйца — это здорово, потому что мы все можем подключиться к ним, и их легко получить, но нужно быть осторожным, чтобы не вступить в конкуренцию с пищевым циклом», — говорит Арнольд. Поскольку другие белки также работают, материал потенциально может производиться в больших количествах относительно дешево и без ущерба для продовольственного снабжения. Следующим шагом исследователей, отметил Озден, будет усовершенствование процесса изготовления материала, чтобы его можно было использовать для очистки воды в более широких масштабах.

Если эта задача будет решена, то материал будет обладать значительными преимуществами, поскольку он недорог в производстве, энергоэффективен в использовании и очень эффективен. «Активированный уголь — один из самых дешевых материалов, используемых для очистки воды. Мы сравнили наши результаты с активированным углем, и они оказались гораздо лучше, — говорит Озден. По сравнению с обратным осмосом, который требует значительных энергозатрат и избытка воды для работы, этот процесс фильтрации требует только силы тяжести и не расходует воду».

Хотя Арнольд рассматривает чистоту воды как «главную грандиозную задачу», это не единственное потенциальное применение данного материала. Он изучает и другие возможности использования, связанные с накоплением энергии и изоляцией.

Ссылка: «Сверхлегкий гибридный монолитный аэрогель на основе яичного белка для очистки воды» Сехмус Озден, Сусанна Монти, Валентина Тоццини, Никита С. Дутта, Стефания Джили, Ник Каджано, А. Джеймс Линк, Никола М. Пугно, Джон Хиггинс, Родни Д. Пристли и Крейг Б. Арнольд, 24 августа 2022 г., Materials Today . DOI: 10.1016/j.mattod.2022.08.001

В исследованиях принимали участие сотрудники факультетов химической и биологической инженерии и геонаук Принстона и других университетов. «Одно дело — сделать что-то в лаборатории, — сказал Арнольд, — и совсем другое — понять, почему и как». Среди коллег, которые помогли ответить на вопросы «почему» и «как», были профессора Родни Пристли и А. Джеймс Линк из отдела химической и биологической инженерии, которые помогли определить механизм трансформации белков яичного белка на молекулярном уровне. Коллеги из Принстона, занимающиеся геонауками, помогли провести измерения фильтрации воды.

Сусанна Монти из Института химии металлоорганических соединений и Валентина Тоцци из Instituto Nanoscienze и NEST-Scuola Normale Superiore создали теоретическое моделирование, которое позволило выявить процесс превращения белков яичного белка в аэрогель.

Исследование финансировалось Принстонским центром сложных материалов и Национальным научным фондом.