Polymer-Durchbruch könnte Wasseraufbereitung revolutionieren

Wir alle haben die Febreze-Lufterfrischer gesehen, die ein Maisstärkederivat verwenden, um unsichtbare Luftschadstoffe im Haus einzufangen und unerwünschte Gerüche zu entfernen.

Ein Team von Cornell-Forschern hat das gleiche Material wie Febreze, Cyclodextrin, verwendet, um eine Technik zu entwickeln, die die Wasseraufbereitungsindustrie revolutionieren könnte.

Das Team wird von Will Dichtel geleitet, außerordentlicher Professor für Chemie und chemische Biologie und Gewinner des MacArthur Foundation Fellowship 2015. Seine Gruppe erfand eine poröse Form von Cyclodextrin, die Schadstoffe durch Adsorption mit einer Geschwindigkeit aufnimmt, die weitaus höher ist als bei herkömmlicher Aktivkohle – in einigen Fällen sogar 200-mal höher.

Aktivkohle hat den Vorteil einer größeren Oberfläche als frühere Polymere aus Cyclodextrin – „mehr Haftstellen für Schadstoffe“, sagte Dichtel – aber sie binden Schadstoffe nicht so stark wie Cyclodextrin.

„Wir haben das erste Material mit großer Oberfläche aus Cyclodextrin hergestellt“, sagte Dichtel, „und dabei einige der Vorteile der Aktivkohle mit den inhärenten Vorteilen des Cyclodextrins kombiniert.“ Wenn Sie die besten Eigenschaften dieser beiden Materialien kombinieren, erhalten Sie ein Material, das sogar noch besser ist als beide Klassen.

„Diese Materialien entfernen Schadstoffe in Sekundenschnelle, während das Wasser vorbeifließt“, sagte er, „es besteht also die Möglichkeit einer Durchflusswasserreinigung mit wirklich geringem Energieverbrauch, was eine große Sache ist.“

Darüber hinaus lässt sich das Cyclodextrin enthaltende Polymer leichter und kostengünstiger regenerieren, sodass es viele Male wiederverwendet werden kann, ohne dass Leistungseinbußen zu beobachten sind.

Die Ergebnisse der rund 18-monatigen Arbeit werden am 21. Dezember online in Nature veröffentlicht.

Die Arbeit wurde von der National Science Foundation über das Center for Sustainable Polymers unterstützt, das ein vielfältiges Team von Forschern aus Cornell, der University of Minnesota und der University of California, Berkeley zusammenbringt, um Hochleistungsmaterialien aus nachhaltigen, nicht nachhaltigen Polymeren zu entdecken -Quellen auf Erdölbasis.

Nach der Entdeckung des Cyclodextrin-Polymers wurde vom Atkinson Center for a Sustainable Future in Cornell zusätzliche Unterstützung für die Skalierung und den Bau von Prototypen von Filtersystemen bereitgestellt.

Die Forschung begann kurz nach der Vergabe des NSF-Stipendiums. Es dauerte nicht lange, bis Dichtels Team das Cyclodextrin-Polymer als vielversprechend für die Wasserreinigung identifizierte. Nachdem Dichtel noch einige Monate damit verbracht hatte, das Material zu analysieren, wandte er sich an Damian Helbling, Assistenzprofessor für Bau- und Umweltingenieurwesen. Zu den Forschungsgebieten von Helbling gehört die Wasserqualität in Bezug auf die Gesundheit von Mensch und Ökosystem.

„In dieser Anfangsphase, letzten Januar oder Februar, war ich als Berater tätig“, sagte Helbling, Mitautor des Papiers. „Sie sagten: ‚Wir haben dieses Polymer, das das kann; Auf welche Wasserqualitätsprobleme könnte dies angewendet werden?‘“

Helbling wies darauf hin, dass seine Gruppe das Polymer auf eine Weise herausforderte, die Dichtels Gruppe nicht getan hatte, um zu sehen, ob es verschiedene Schadstoffmischungen in niedrigeren Konzentrationen adsorbieren würde, die für die Wasserreinigung in der Praxis relevant wären.

„[Unser Beitrag bestand darin] zu beweisen, dass die beobachteten Phänomene selbst unter umweltrelevanten Bedingungen wiederholbar waren. Und das waren sie“, sagte Helbling.

Die Recyclingfähigkeit sei ein weiterer Vorteil des Cyclodextrin-Polymers, sagte Dichtel. Während Aktivkohlefilter zur Regeneration einer intensiven Wärmebehandlung unterzogen werden müssen, können Cyclodextrinfilter bei Raumtemperatur mit Methanol oder Ethanol gewaschen werden. Auch ein Leistungsabfall nach der Regeneration sei nicht zu beobachten, sagte Dichtel.

Dichtel, dessen „Genius Award“ der MacArthur Foundation über einen Zeitraum von fünf Jahren mit insgesamt 625.000 US-Dollar dotiert ist, sagte, ein Teil dieses Preises werde in die weitere Forschung zur Cyclodextrin-Wasserreinigung fließen und letztendlich die Voraussetzungen für ein Produkt schaffen, das in großem Maßstab hergestellt werden könne.

„Traditionell ist es schwierig, die Lücke zwischen der Entdeckung im Labor und der Verbreitung von etwas in der Welt, wo es den Menschen helfen kann, zu schließen“, sagte er. „Deshalb ist es wirklich wertvoll, eine völlig uneingeschränkte Unterstützung zu haben, die in diesem Bereich pragmatisch eingesetzt werden kann.“

Dichtel ist begeistert von dem Potenzial, das die Ergebnisse seiner Gruppe im Hinblick auf die Wasseraufbereitungsindustrie zeigen.

„Es gibt eine Menge Dinge“, sagte er. „Es gibt noch einige Unbekannte, aber alles sieht ziemlich vielversprechend aus.“

Weitere Co-Autoren des Artikels „Instant Removal of Organic Micropollutants From Water by a Porous beta-Cyclodextrin Polymer“ sind die Postdoktoranden Alaaeddin Alsbaiee und Brian Smith sowie die Doktoranden Leilei Xiao in Chemie und chemischer Biologie und Yuhan Ling in Zivil- und Umweltwissenschaften Maschinenbau.

Für die Forschung wurden Benutzereinrichtungen des Cornell Center for Materials Research genutzt, die von der NSF unterstützt werden. Dichtels Gruppe hat eine vorläufige Patentanmeldung für die im Nature-Artikel beschriebenen Cyclodextrin-Polymere eingereicht.

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