Ny träbaserad teknik tar bort 80 procent av färgföroreningar i avloppsvatten

Forskare vid Chalmers har utvecklat en ny metod som enkelt kan rena förorenat vatten med hjälp av ett cellulosabaserat material. Upptäckten kan få betydelse för länder med dålig vattenrening, och motverka det omfattande problemet med textilindustrins utsläpp av giftiga färgämnen.

Rent vatten är en förutsättning för vår hälsa och livsmiljö, men långt ifrån en självklarhet för alla. Idag lever över två miljarder människor med begränsad eller obefintlig tillgång till rent vatten enligt WHO.

Den här globala utmaningen står i centrum för en forskargrupp på Chalmers, som har utvecklat en metod för att enkelt och smidigt ta bort föroreningar från vatten. Gruppen, som leds av Gunnar Westman, biträdande professor i organisk kemi, fokuserar på nya användningsområden för cellulosa och träbaserade produkter och är en del av Wallenberg Wood Science Center.

Forskarna har byggt upp gedigen kunskap om nanokristaller* av cellulosa – och det är här nyckeln till vattenreningen ligger. Dessa ytterst små nanopartiklar har nämligen en enastående absorptionsförmåga, som forskarna nu har hittat ett sätt att ta vara på.

– Vi har tagit ett unikt helhetsgrepp om de här cellulosananokristallerna, och granskat egenskaper och möjliga användningsområden. Nu har vi skapat ett biobaserat material, en form av cellulosapulver med utmärkta reningsegenskaper som vi kan anpassa och modifiera beroende på vilka typer av föroreningar som ska tas bort, säger Gunnar Westman.

Absorberar och bryter ned gifterna
I en studie, som nyligen publicerades i den vetenskapliga tidskriften Industrial & Engineering Chemistry Research, visar forskarna hur giftiga färgämnen kan filtreras bort från avloppsvatten med hjälp av metoden och materialet som gruppen har utvecklat. Forskningen har skett i samarbete med Malaviya National Institute of Technology Jaipur i Indien, där föroreningar från färgämnen i textilindustrins avloppsvatten är ett omfattande problem.

Reningen kräver varken tryck eller värme, och utnyttjar solljus för att katalysera processen. Gunnar Westman liknar metoden vid att hälla hallonsaft i ett glas med riskorn, som suger upp saften så att vattnet åter igen blir genomskinligt.

– Tänk dig ett enkelt reningssystem, som en bärbar låda som kopplas på avloppsröret. När det förorenade vattnet passerar filtret med cellulosapulver absorberas föroreningarna, och solljuset som släpps in i reningssystemet gör att de bryts ned snabbt och effektivt. Det är ett kostnadseffektivt och enkelt system att sätta upp och använda och vi ser att det skulle kunna göra stor nytta i länder som idag har dålig eller obefintlig vattenrening, säger han.

Metoden ska testas i Indien
Indien är ett av flera länder i Asien med en omfattande textilproduktion, där stora mängder färgämnen släpps ut i sjöar, floder och vattendrag varje år. Konsekvenserna för människor och miljö är allvarliga. Färgämnena innehåller kemikalier och tungmetaller som kan ge människor hudskador vid direktkontakt och ökar risken för cancer och organskador när de giftiga ämnena kommer in i näringskedjan. Naturen drabbas på flera sätt, bland annat försämrar föroreningarna fotosyntesen och växters tillväxt.

Att göra fältstudier i Indien är ett viktigt nästa steg och Chalmersforskarna stöttar nu sina indiska kollegor i arbetet för att några av landets småskaliga industrier ska få testa metoden i verkligheten. Hittills har laboratorietester med industrivatten visat att mer än 80 procent av färgföroreningarna försvinner med den nya metoden och Gunnar Westman ser goda möjligheter att kunna öka reningsgraden ytterligare.

– Att gå från utsläpp av helt orenat vatten till att få bort 80 procent av föroreningarna är en enorm förbättring, och innebär betydligt mindre förstörelse av naturen och skador för människor. Med optimering av pH och reningstid ser vi dessutom en möjlighet att förbättra processen ytterligare, så att vi kan få fram både bevattnings- och dricksvatten. Det vore fantastiskt om vi kan hjälpa dessa industrier att få en vattenrening som fungerar, så att människor i omgivningarna kan använda vattnet utan att riskera sin hälsa, säger han.

Kan användas mot fler sorters föroreningar
Gunnar Westman ser även stora möjligheter att använda nanokristaller av cellulosa för rening av andra vattenföroreningar än färgämnen. I en tidigare studie visade forskargruppen att föroreningar av så kallat giftigt sexvärt krom, som är vanligt i avloppsvatten från gruv-och metallindustrier, framgångsrikt kunde avlägsnas med ett liknande cellulosa-baserat material. Gruppen undersöker också hur forskningsområdet kan bidra till rening av antibiotikarester.

– Det finns stor potential att hitta goda vattenreningsmöjligheter med det här materialet och utöver den grundkunskap vi har byggt upp på Chalmers är en viktig nyckel för att lyckas den samlade kompetens som finns inom Wallenberg Wood Science Center, säger han.

Mer om forskningen
Läs hela artikeln i Industrial & Engineering Chemistry Research: Cellulose nanocristals derived from microcrystalline cellulose for selective removal of Janus Green Azo Dye. Artikelns författare är Gunnar Westman och Amit Kumar Sonker vid Chalmers tekniska högskola, samt Ruchi Aggarwal, Anjali Kumari Garg, Deepika Saini, och Sumit Kumar Sonkar vid Malaviya National Institute of Technology, Jaipur, Indien. Forskningen är finansierad av Wallenberg Wood Science Center, WWSC.

*Nanokristaller
Nanokristaller är nanopartiklar i kristallform, som är extremt små: en nanopartikel är mellan 1 och 100 nanometer i minst en dimension, det vill säga på någon ledd. (en nanometer = en miljarddels meter).

Wallenberg Wood Science Center
• Wallenberg Wood Science Center, WWSC, är ett forskningscentrum med målet att utveckla nya hållbara biobaserade material med skogen som råvara. WWSC är ett multidisciplinärt samarbete mellan Chalmers tekniska högskola, Kungliga Tekniska Högskolan och Linköpings universitet, och basen är en donation från Knut och Alice Wallenbergs stiftelse.
• Centrumet engagerar cirka 95 forskare och fakultetsmedlemmar och 50 doktorander. Åtta forskargrupper från Chalmers ingår i centrumet.

Om föroreningar från färgämnen och tillgång till rent vatten
• Över två miljarder människor i världen lever med begränsad eller obefintlig tillgång till rent vatten. Varje år beräknas över 3,5 miljoner människor dö av brist på tillgång till rent vatten och fungerande sanitet.
• Den globala textilindustrin, som är koncentrerad till Asien, bidrar till omfattande föroreningar av vatten. Produktionen sker ofta i låglöneländer, där en stor del av tekniken är föråldrad och miljölagstiftning och tillsyn kan vara bristfällig.
• Utsläppen bidrar till övergödning och toxiska effekter i vatten och mark. I Kina och Indien finns exempel på där grundvattnet har blivit förorenat av färg- och beredningskemikalier.
• För att producera ett kilo ny textil krävs mellan 7 000 och 29 000 liter vatten och mellan 1,5 och 6,9 kilo kemikalier.
• 2021 producerades cirka 327 tusen ton färgämnen och pigment i Indien. En stor andel av landets färgföroreningar släpps ut orenade.

För mer information, kontakta:
Gunnar Westman, biträdande professor, institutionen för kemi och kemiteknik, Chalmers tekniska högskola.
westman@chalmers.se, 031 772 30 72

Bildtext
Forskare vid Chalmers har skapat ett nytt biobaserat material, en form av pulver baserat på cellulosananokristaller för att rena vatten från föroreningar, bland annat textilfärg. När det förorenade vattnet passerar filtret med cellulosapulver absorberas föroreningarna och solljuset som släpps in i reningssystemet gör att de bryts ned snabbt och effektivt. Laboratorietester har visat att 80 procent av färgföroreningarna försvinner med den nya metoden och materialet, och forskarna ser goda möjligheter att kunna öka reningsgraden ytterligare.
Illustration: Chalmers | David Ljungberg

Källor
Naturvårdsverket: https://www.naturvardsverket.se/amnesomraden/textil/dagens-textila-floden-ar-en-global-miljoutmaning/

WHO: https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/drinking-water

A critical review on the treatment of dye-containing wastewater: Ecotoxicological and health concerns of textile dyes and possible remediation approaches for environmental safety. Ecotoxicology and Environmental Safety, February 2022
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0147651321012720

Effects of textile dyes on health and the environment and bioremediation potential of living organisms. Biotechnology Research and Innovation, July–December 2019
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452072119300413

Kemikalieinspektionen: https://www.kemi.se/kemiska-amnen-och-material/nanomaterial

Statista: https://www.statista.com/statistics/726947/india-dyes-and-pigments-production-volume/#:~:text=In%20fiscal%20year%202021%2C%20the,around%20327%20thousand%20metric%20tons