Neues Verfahren zur Entfernung von Salz und Mikroplastik aus Wasser

Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass Ihr Frühstück in ein Material verwandelt werden kann, das Wasser filtern kann

16.11.2022 - USA

Forscher von Princeton Engineering haben aus Eiweiß ein Aerogel hergestellt, ein leichtes und poröses Material, das in vielen Bereichen eingesetzt werden kann, z. B. zur Wasserfiltration, Energiespeicherung, Schall- und Wärmedämmung. Craig Arnold, Susan Dod Brown, Professorin für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik und stellvertretende Dekanin für Innovation in Princeton, arbeitet mit seinem Labor an der Entwicklung neuer Materialien, darunter auch Aerogelen, für technische Anwendungen.

Eines Tages hatte er in einer Fakultätssitzung eine Idee.

"Ich saß da und starrte auf das Brot in meinem Sandwich", sagt Arnold. "Und ich dachte mir: Das ist genau die Art von Struktur, die wir brauchen. Also bat er seine Laborgruppe, verschiedene Brotrezepte mit Kohlenstoff zu mischen, um zu sehen, ob sie die gesuchte Aerogel-Struktur nachbilden könnten. Keines von ihnen funktionierte anfangs richtig, so dass das Team nach und nach Zutaten entfernte, bis schließlich nur noch Eiweiß übrig blieb.

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"Wir begannen mit einem komplexeren System", sagte Arnold, "und wir reduzierten und reduzierten und reduzierten, bis wir den Kern des Systems gefunden hatten. Es waren die Proteine im Eiweiß, die zu den Strukturen führten, die wir brauchten."

Eiklar ist ein komplexes System aus fast reinem Protein, das nach Gefriertrocknung und Erhitzung auf 900 Grad Celsius in einer Umgebung ohne Sauerstoff eine Struktur aus miteinander verbundenen Kohlenstofffasern und Graphenblättern bildet. In einer am 24. August in der Zeitschrift Materials Today veröffentlichten Arbeit zeigten Arnold und seine Mitautoren, dass das resultierende Material Salz und Mikroplastik mit 98 % bzw. 99 % Effizienz aus dem Meerwasser entfernen kann.

"Das Eiweiß funktionierte sogar, wenn es zuerst auf dem Herd gebraten oder aufgeschlagen wurde", so Sehmus Ozden, Erstautor der Studie. Ozden war früher Postdoktorand am Princeton Center for Complex Materials und ist jetzt Wissenschaftler am Aramco Research Center. Während für die ersten Tests normales, im Laden gekauftes Eiweiß verwendet wurde, sagte Ozden, dass andere ähnliche, im Handel erhältliche Proteine die gleichen Ergebnisse lieferten.

"Eier sind cool, weil wir uns alle mit ihnen verbinden können und sie leicht zu bekommen sind, aber man muss vorsichtig sein, wenn man mit dem Nahrungskreislauf konkurrieren will", sagte Arnold. Da auch andere Proteine funktionierten, kann das Material möglicherweise in großen Mengen relativ billig und ohne Auswirkungen auf die Lebensmittelversorgung hergestellt werden. Ein nächster Schritt für die Forscher, so Ozden, ist die Verfeinerung des Herstellungsverfahrens, damit es in größerem Maßstab zur Wasserreinigung eingesetzt werden kann.

Wenn diese Aufgabe gelöst werden kann, hat das Material erhebliche Vorteile, da es kostengünstig in der Herstellung, energieeffizient in der Anwendung und hochwirksam ist. "Aktivkohle ist eines der billigsten Materialien, die für die Wasserreinigung verwendet werden. Wir haben unsere Ergebnisse mit Aktivkohle verglichen, und sie ist viel besser", so Ozden. Verglichen mit der Umkehrosmose, die einen erheblichen Energieaufwand und überschüssiges Wasser für den Betrieb erfordert, benötigt dieses Filterverfahren nur die Schwerkraft und verschwendet kein Wasser.

Während Arnold die Wasserreinheit als "große Herausforderung" sieht, ist dies nicht die einzige mögliche Anwendung für dieses Material. Er erforscht auch andere Verwendungsmöglichkeiten im Zusammenhang mit der Energiespeicherung und Isolierung.

An der Forschung waren unter anderem die Fachbereiche Chemie- und Bioingenieurwesen und Geowissenschaften in Princeton beteiligt. "Es ist eine Sache, etwas im Labor herzustellen", sagte Arnold, "eine andere Sache ist es, das Warum und Wie zu verstehen". Zu den Mitarbeitern, die bei der Beantwortung der Fragen nach dem Warum und Wie halfen, gehörten die Professoren Rodney Priestley und A. James Link vom Fachbereich Chemie- und Bioingenieurwesen, die dabei halfen, den Umwandlungsmechanismus der Eiweißproteine auf molekularer Ebene zu identifizieren. Kollegen aus den Geowissenschaften in Princeton halfen mit Messungen der Wasserfiltration.

Susanna Monti vom Institut für Chemie metallorganischer Verbindungen und Valentina Tozzi vom Instituto Nanoscienze und der NEST-Scuola Normale Superiore erstellten die theoretischen Simulationen, die die Umwandlung der Eiweißproteine in das Aerogel zeigten.

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