과학자들은 식물 폐기물에서 단백질을 사용하여 중금속 물을 오염 제거

과학자들은 식물 폐기물에서 단백질을 사용하여 중금속 물을 오염 제거
날짜:
2022년 6월 23일
원천:
난양공업대학교
요약:
과학자들은 오염된 물에서 중금속을 걸러낼 수 있는 식물성 기름 제조의 폐기물 부산물로 만든 막을 만들었습니다. 테스트에서 그들은 흡착이라고 하는 이 끌어당김 과정이 국제 식수 기준을 충족하는 정도로 오염된 물을 정화할 수 있음을 보여주었습니다.

싱가포르 난양 공과 대학(NTU Singapore)의 과학자들은 스위스 취리히의 ETHZ(ETH Zurich, Switzerland)와 협력하여 오염된 물에서 중금속을 걸러낼 수 있는 식물성 기름 제조의 폐기물 부산물로 만든 막을 만들었습니다.

신소재공학부 ​​알리 미제레즈 교수와 생물과학부 NTU 객원교수 라파엘 메젠가(ETHZ)가 이끄는 연구팀은 부산물에서 유래한 단백질을 발견했다. 땅콩 또는 해바라기 기름 생산은 중금속 이온을 매우 효과적으로 끌어들일 수 있습니다.

테스트에서 그들은 흡착이라고 하는 이 끌어당김 과정이 국제 식수 기준을 충족하는 정도로 오염된 물을 정화할 수 있음을 보여주었습니다.

연구원들의 멤브레인은 물에서 중금속을 오염 제거하기 위한 저렴하고, 저전력이며, 지속 가능하고 확장 가능한 방법이 될 가능성이 있습니다.

Miserez 교수는 "수질 오염은 세계 여러 지역에서 여전히 주요 글로벌 문제로 남아 있습니다. 중금속은 인체에 축적되어 암 및 돌연변이 유발성 질병을 유발할 수 있는 수질 오염 물질의 큰 그룹입니다. 이를 제거하는 현재 기술은 에너지- 집약적이며 작동하는 데 전력이 필요하거나 필터링 대상이 매우 선택적입니다."

"우리의 단백질 기반 멤브레인은 친환경적이고 지속 가능한 프로세스를 통해 만들어지며 작동하는 데 전력이 거의 필요하지 않거나 전혀 필요하지 않으므로 전 세계, 특히 저개발 국가에서 사용할 수 있습니다. 음용수 오염물질이 아닌 음악 장르”라고 Miserez 교수는 말했다.

연구팀의 연구 결과는 지난 4월 화학공학저널( Chemical Engineering Journal )에 게재 됐다. 물 안보에 대한 그들의 연구 초점은 NTU 2025 전략 계획 및 환경에 대한 인류의 영향을 완화하려는 대학의 목표와 일치합니다.

식물성 유지종자 분말을 정수 필터로 변환

상업용 가정용 식물성 기름의 생산은 유지종자 분말이라고 하는 폐기물 부산물을 생성합니다. 이들은 원시 식물에서 기름을 추출한 후 남아있는 단백질이 풍부한 잔여물입니다.

NTU 주도의 연구팀은 두 가지 일반적인 식물성 기름인 해바라기 기름과 땅콩 기름에서 얻은 유지종자를 사용했습니다. 연구팀은 유지종자박에서 단백질을 추출한 후 이를 나노 크기의 단백질 아밀로이드 섬유소로 변환했는데, 이는 단백질이 단단히 감겨서 만들어진 로프와 같은 구조입니다. 이 단백질 원섬유는 중금속에 끌려 분자체처럼 작용하여 중금속 이온이 통과할 때 가둡니다.

유지씨 가루 1kg은 약 160g의 단백질을 생산합니다.

이 논문의 제1저자인 NTU 박사과정 학생인 순 웨이 롱(Soon Wei Long)은 "단백질이 풍부한 해바라기와 땅콩 가루는 단백질을 추출, 분리 및 중금속을 위한 기능성 아밀로이드 원섬유로 자가 조립할 수 있는 저가의 원료입니다. 해바라기와 땅콩 단백질에서 아밀로이드 원섬유를 얻은 것은 이번이 처음입니다."

연구자들은 추출된 아밀로이드 섬유소와 일반적으로 사용되는 여과 물질인 활성탄을 결합하여 하이브리드 막을 형성했습니다. 그들은 세 가지 일반적인 중금속 오염물질인 백금, 크롬 및 납에 대해 멤브레인을 테스트했습니다.

오염된 물이 막을 통해 흐르면 중금속 이온이 아밀로이드 원섬유의 표면에 달라붙는데 이를 흡착이라고 합니다. 아밀로이드 피브릴의 높은 표면 대 부피 비율은 많은 양의 중금속을 효율적으로 흡착합니다.

팀은 그들의 막이 중금속을 99.89%까지 걸러낸다는 것을 발견했습니다. 테스트한 세 가지 금속 중에서 필터는 납과 백금에 가장 효과적이었고 크롬이 그 뒤를 이었습니다.

Miserez 교수는 "여과기는 모든 종류의 중금속과 PFAS(퍼플루오로알킬 및 폴리플루오로알킬 물질)와 같은 유기 오염 물질을 걸러내는 데 사용할 수 있으며, 이는 광범위한 소비자 및 산업 제품에 사용되는 화학 물질입니다."라고 Miserez 교수는 말했습니다. "아밀로이드 원섬유는 물이 통과하도록 하는 동안 그들 사이에 중금속 입자를 가두고 샌드위치하는 아미노산 결합을 포함합니다."

연구자들은 오염된 물의 중금속 농도가 막이 걸러낼 수 있는 물의 양을 결정할 것이라고 말합니다. 해바라기 단백질 아밀로이드로 만든 하이브리드 멤브레인은 400ppb(parts per billion) 납으로 ​​오염된 올림픽 규격 수영장의 등가량을 식수로 여과하는 데 단 16kg의 단백질이 필요합니다.

"공정은 단순하고 화학 시약의 최소 사용으로 인해 쉽게 확장 가능하며 지속 가능하고 저렴한 수처리 기술을 지향합니다"라고 Mr Soon이 말했습니다. "이를 통해 우리는 추가 적용을 위해 폐기물 흐름을 재처리하고 다양한 산업 식품 폐기물을 유익한 기술로 완전히 활용할 수 있습니다.

갇힌 금속은 또한 추출되어 추가로 재활용될 수 있습니다. 여과 후 금속을 가두는 데 사용되는 멤브레인은 단순히 연소되어 금속이 남습니다.

Miserez 교수는 "납이나 수은과 같은 금속은 유독하고 안전하게 폐기할 수 있지만 백금과 같은 다른 금속은 전자 제품 및 기타 민감한 장비를 만드는 데 유용한 응용 분야를 가지고 있습니다."라고 말했습니다.

"kg당 33,000달러인 귀중한 백금을 회수하는 데는 32kg의 단백질만 필요하고, 60,000달러에 가까운 금을 회수하는 데는 16kg의 단백질만 필요합니다. 이러한 단백질은 US$1/kg 미만인 경우 비용 이점이 크다."

지속 가능한 저전력 여과

이 논문의 공동 저자인 Raffaele Mezzenga 교수는 이전에 2016년에 소의 우유에서 추출한 유청 단백질이 유사한 금속을 끌어들이는 특성을 가지고 있음을 발견했습니다.

연구원들은 식물성 유지씨가루의 단백질도 유사한 특성을 가질 수 있다는 것을 깨달았습니다. 그들의 실험은 그러한 단백질이 효과적일 뿐만 아니라 동물 사료의 식품으로 사용되거나 버려질 폐기물을 사용하기 때문에 더 저렴하고 지속 가능하다는 것을 보여주었습니다.

연구원들은 또 다른 큰 장점은 이 여과가 전기를 필요로 하는 역삼투와 같은 다른 방법과 달리 에너지가 거의 또는 전혀 필요하지 않다는 것입니다.

Mezzenga 교수는 "우리 멤브레인의 경우 중력이 대부분 또는 모든 작업을 수행합니다. "이 저전력 여과 방법은 전기와 전력에 대한 접근이 제한된 지역에서 매우 유용할 수 있습니다.

연구원들은 현재 ETH Zurich의 유럽 기반 정수 여과 분사 회사인 BluAct와 함께 멤브레인의 상업적 응용을 탐구하고 있습니다.