Biodegradowalne hydrożele sposobem na usuwanie mikrodrobin plastiku z wody
Mikrodrobiny plastiku to małe cząstki tworzyw sztucznych o wielkości poniżej 5 mm. Powszechnie stosowane w szeregu produktów, od kosmetyków po ubrania, są już obecne w całym środowisku. Szacuje się, że do oceanów trafia rocznie 1,3 miliona ton mikrodrobin plastiku. Oprócz ograniczenia stosowania mikrodrobin plastiku potrzebne są rozwiązania w celu usunięcia tych cząsteczek, które są już obecne w środowisku. Jednak ich niewielki rozmiar utrudnia ich usuwanie, zwłaszcza z kanalizacji i systemów ściekowych. Co więcej, stosowane zazwyczaj syntetyczne procesy filtracji i/lub koagulacji mogą być szkodliwe dla środowiska. W ramach finansowanego przez program działań „Maria Skłodowska-Curie” projektu MICROPLASTINE opracowano biodegradowalne hydrożele biopolimerowe, które stanowią przyjazną dla środowiska alternatywę. Biodegradowalne hydrożele biopolimerowe wychwytują i agregują mikrodrobiny plastiku, umożliwiając ich łatwe usuwanie ze ścieków. „Nasze biodegradowalne hydrożele żelatynowe pozwalają wychwytywać i usuwać ponad 98% zanieczyszczeń z mikrodrobin plastiku w modelowym roztworze ścieków i ponad 70% w środowiskach o wysokim zasoleniu, takich jak woda morska”, mówi koordynator projektu Tim J. Wooster. Zespół wykazał, że możliwe jest wychwytywanie szerokiej gamy mikrodrobin plastiku, w tym polistyrenu, polimetakrylanu i polietylenu. Testy laboratoryjne potwierdziły również wysoki stopień biodegradowalności cząsteczek hydrożelu biopolimerowego w wodzie jeziornej i morskiej.
Wyjątkowe właściwości hydrożeli
Biodegradowalne hydrożele żelatynowe mają naturalnie dodatni ładunek powierzchniowy, który może przyciągać do ich powierzchni ujemnie naładowane mikrodrobiny plastiku. Im więcej takich zanieczyszczeń przywiera do powierzchni hydrożelu, tym staje się on cięższy, przez co tonie i osiada na dnie ścieków, skąd można go oddzielić i usunąć. Juliette Behra, stypendystka podoktorska MSCA MICROPLASTINE, wykorzystała wiedzę specjalistyczną gospodarza projektu Nestlé Research i jego doświadczenie w zakresie naturalnych biopolimerów, aby stworzyć biodegradowalne hydrożele na potrzeby badania. Mikrostruktura tych biopolimerowych hydrożeli została przeanalizowana przy użyciu reologii i zaawansowanych technik rozpraszania światła, co pozwoliło ustalić, w jaki sposób zmieniają one swoją mikrostrukturę podczas chłodzenia. „Badanie struktury hydrożelu podczas chemia (synerezy), gdy ciecze opuszczają żele, pozwoliło nam lepiej zrozumieć, w jaki sposób naprężenia narastają w hydrożelach i przyczyniają się do tworzenia wytrzymałych struktur”, dodaje Behra.
Gdy hydrożel spotyka się z mikrodrobiną plastiku
Przeprowadzono eksperymenty laboratoryjne w celu zbadania, w jaki sposób hydrożele biopolimerowe oddziałują z modelowymi mikrodrobinami plastiku o różnym ładunku, aby określić, jak najlepiej zmaksymalizować wiązanie mikrodrobin plastiku. Eksperymenty wykazały, że hydrożele biopolimerowe były w stanie skutecznie usunąć około 98,5% zanieczyszczeń, przy czym można je łatwo usunąć z dna zbiorników na ścieki. Ponieważ ładunek hydrożeli jest wrażliwy na pH, uwięzione mikroplastiki można szybko uwolnić poprzez zmianę pH, co oznacza, że możliwa jest łatwa regeneracja kulek hydrożelowych po ich usunięciu ze źródła ścieków. Następnie przetestowano – z pozytywnym skutkiem – zdolność tych biopolimerowych hydrożeli do wiązania i uwalniania zwietrzałych mikrodrobin plastiku. Wreszcie, przetestowano laboratoryjnie biodegradowalność hydrożeli biopolimerowych w rzeczywistej wodzie morskiej i jeziornej, a wyniki tego badania dowiodły, że jest ona wysoka. „Co najważniejsze, wstępne testy laboratoryjne sugerują, że proces ten jest w ponad 80% odwracalny, co oznacza, że hydrożele mogą być potencjalnie regenerowane w celu ponownego użycia”, wyjaśnia Behra.
Wspieranie realizacji celów UE dotyczących ograniczenia zanieczyszczenia mikrodrobinami plastiku
Projekt MICROPLASTINE wpisuje się w realizację zobowiązania UE dotyczącego zmniejszenia ilości mikrodrobin plastiku w środowisku w celu ochrony morskich organizmów zwierzęcych i roślinnych. „Jest to nowa technologia, która wykazuje bardzo obiecujące wstępne wyniki laboratoryjne. Potrzebne jest jednak systematyczne podejście, aby uporać się z potencjalnymi trudnościami podczas zwiększania skali rozwiązania i stosowania go w prawdziwych oczyszczalniach ścieków”, mówi Wooster. W związku z tym zespół pracuje obecnie nad pozyskaniem dalszych środków oraz przyszłą współpracą badawczą.
Słowa kluczowe
MICROPLASTINE, mikrodrobiny plastiku, hydrożel, ścieki, biodegradowalny, kanalizacja, biopolimer
