Im Handumdrehen wurden Krebsschalen von „Küchenabfällen“ in „kleine Experten“ im Auffangen von Mikroplastik verwandelt!

Autor: Shi Xiangqi und Li Chuanfu

Die Verschmutzung durch Mikroplastik ist zu einem globalen Umweltproblem geworden. Mikroplastik, das einen Durchmesser von weniger als 5 mm hat, ist in Ozeanen, Süßwasser, Trinkwasser und Luft weit verbreitet und stellt eine potenzielle Bedrohung für die menschliche Gesundheit und die natürliche Umwelt dar. Kürzlich verwendete das Team von Professor Deng Hongbing von der Fakultät für Ressourcen- und Umweltwissenschaften der Universität Wuhan weggeworfene Krebsschalen als Rohmaterial, um einen neuen Typ von Schwammmaterial aus reinen Biomassefasern zu entwickeln, das sich bei der Entfernung von Mikroplastik aus dem Wasser als äußerst effizient erwies.

Die Flusskrebsindustrie ist eine Demonstrationsindustrie für die Wiederbelebung des ländlichen Raums in der Provinz Hubei. Während die Krebsindustrie boomt, produziert die Stadt Wuhan jedes Jahr fast 100.000 Tonnen überschüssige Garnelenschalen, was zu ernsthaften Umweltverschmutzungsproblemen führt. Das Team um Professor Deng Hongbing hat herausgefunden, dass man durch die Behandlung weggeworfener Krebsschalen mit Säure und Lauge ein Skelettmaterial aus Chitinfasern gewinnen kann, mit dem sich Mikroplastik wirksam einfangen lässt, ohne dass es zu einer Sekundärverschmutzung des Gewässers kommt.

In weiteren Untersuchungen verwendete das Team die dualen Strategien der „durch Wasserstoffbrücken induzierten Neuanordnung“ und der „Freilegung mehrstufiger Strukturen“, um die beiden nativen Wasserstoffbrückennetzwerke von Chitosan (α- und β-Chitosan) in Garnelenchitosan und Chitosan in Kalmar- und Sepienknochen zu unterbrechen und neu anzuordnen, wodurch ein mehrstufiges faseriges Gerüstschwammmaterial entstand. Die Adsorptionskapazität dieses Materials für 100 nm große Polystyrol-Mikrokugeln beträgt bis zu 411,14 mg/g und ist damit 3-48-mal höher als die anderer bekannter Chitin-/Chitosan-Adsorptionsmaterialien.

Das Bild zeigt den Vergleich von Garnelenschalen vor und nach der Verarbeitung

Während des Vorbereitungsprozesses verfolgte das Forschungsteam eine Top-Down-Strategie der „strukturellen Freilegung auf mehreren Ebenen“ und bereitete die weggeworfenen Krebsschalen durch eine zweistufige einfache Säure-Base-Behandlung in dreidimensionale, poröse Krebsschalen mit doppelter Freilegung von natürlichen Faserbündelskeletten und Fangstellen vor. Krebsschalen mit dieser Struktur können in einen Netzbeutel gegeben und ins Wasser geworfen werden, um Mikroplastik im Wasser effektiv zu absorbieren. Darüber hinaus handelt es sich bei diesem Material nicht um ein Einwegprodukt. Das Team hat außerdem eine Methode entwickelt, um die Mikroplastikpartikel aus den Krebsschalen nach der Verwendung „auszuspülen“. Dadurch wird eine nachhaltige Nutzung der Krebsschalen erreicht und ein echter grüner Kreislauf der „Abfallbehandlung mit Abfall“ geschaffen.

Darüber hinaus schlug das Team eine neue Methode zur „dynamischen Kraftumwandlung“ für Biomasse-Mehrebenenfaser-Aufnahmematerialien auf Basis hoher Biosicherheit vor. Dabei wird die Wasserstoffbrücken-Selbstorganisation von Chitin-Nanofaser-Netzwerken aus Tintenfischknochen und Zellulose-Mikrofasern aus Baumwolle genutzt, um ein reines Biomasse-Mehrebenenfaser-Gerüst mit aktivierten Adsorptionsstellen zu konstruieren, das sich an komplexe Umweltfaktoren anpassen kann. Dieses Material weist eine gute Adsorptionskapazität für Polystyrol, Polymethylmethacrylat, Polypropylen und Polyethylenterephthalat auf.

Das Bild zeigt Schwämme aus Biomassefasern in verschiedenen Größen und Formen. (Foto vom Forschungsteam bereitgestellt)

Das Material ist einfach herzustellen, benötigt keine Vernetzer und ist vollständig abbaubar, sodass es auch ein sehr umweltfreundliches Material ist. In der Praxis kann dieser neue, vollständig aus Biomasse bestehende Faserschwamm Mikroplastik durch physikalische Abfangung, elektrostatische Anziehung und mehrere intermolekulare Wechselwirkungen entfernen und unter dem Einfluss von Umweltfaktoren wie anorganischen Partikeln, Schwermetallen, organischen Schadstoffen und Mikroorganismen eine stabile Adsorption aufrechterhalten.

Dieses Material kann künftig in Filterelementen von Wasserreinigern, großen Leitungswasseraufbereitungsanlagen, Kläranlagen und anderen Szenarien breit eingesetzt werden und bietet eine effiziente, wirtschaftliche und umweltfreundliche Lösung zur Kontrolle der Mikroplastikverschmutzung.