Ingenieurs Ontwikkelen Algen-gebaseerde Adsorptiemiddelen Tegen Schadelijke Algenbloei
Schadelijke algenbloei komt voor wanneer kolonies algen – eenvoudige planten die in zee- en zoetwater leven – ongecontroleerd groeien en toxische of schadelijke effecten op mensen, vissen, schelpdieren, zeezoogdieren en vogels veroorzaken. De verspreiding van schadelijke algengroei (HAB’s) wereldwijd roept om dringend onderzoek om deze groeiende bedreiging aan te pakken. Studies in Italië, China en het Atlantische bekken hebben aangetoond dat veel waterlichamen hoge stikstof-fosforverhoudingen hebben, waardoor fosfor een belangrijke factor is die deze bloei aanjaagt. Dit benadrukt de kritieke behoefte aan effectievere fosforbeheerstrategieën om de opkomst van HAB’s te beperken en onze ecosystemen te beschermen.
Recent is er een groeiende interesse in het vinden van nuttige manieren om problematische algenbiomassa te hergebruiken, die kan worden omgevormd tot waardevolle producten zoals bioplastics, biofertilizers en biobrandstoffen. Onderzoekers hebben al onderzocht hoe algenbiomassa kan worden gebruikt om materialen te creëren die helpen bij het opruimen van zware metalen, zeldzame aardmetalen, kleurstoffen en zelfs CO2 en schadelijke vluchtige organische stoffen uit de lucht te vangen. Echter, er zijn slechts enkele studies die hebben gekeken naar hoe algenbiomassa, vooral cyanobacteriën, ook bekend als blauwgroene algen, kan worden gebruikt om materialen te creëren die fosfaat uit water verwijderen.
Onderzoekers van het College voor Ingenieurswetenschappen en Computerwetenschappen aan de Florida Atlantic University hebben deze leemte opgevuld door cyanobacteriële biomassa, die doorgaans als gevaarlijk afval wordt beschouwd, om te zetten in op maat gemaakte adsorberende materialen die schadelijk fosfor uit water kunnen verwijderen. Adsorberende materialen zijn stoffen die moleculen of deeltjes zoals gassen, vloeistoffen of opgeloste vaste stoffen op hun oppervlak kunnen aantrekken en vasthouden. In tegenstelling tot absorberende materialen, die stoffen in hun structuur opnemen, vangen adsorbenten moleculen op het buitenste oppervlak, waardoor een dunne laag ontstaat.
Om algenbiomassa om te zetten in chemisch gemodificeerde actieve kool adsorberende materialen voor fosfaatverwijdering, verzamelden onderzoekers cyanobacteriële biomassa uit Lake Okeechobee in Florida en verwerkten deze vóór activatie met behulp van snelle en energie-efficiënte magnetronverhitting. Om de fosfaatverwijdering uit water te verbeteren, testten de onderzoekers adsorberende materialen die waren gemodificeerd met lanthanumchloride of zinkchloride. Lanthanum, een relatief overvloedig metaal dat deel uitmaakt van de groep van zeldzame aardmetalen, is nuttig in verschillende gebieden, waaronder milieuopruiming, industriële verwerking en chemische productie. Eerdere onderzoeken hebben geen risico’s voor de menselijke gezondheid gevonden in verband met het gebruik van lanthanum voor fosforverwijdering.
De resultaten van de studie, gepubliceerd in het tijdschrift Algal Research, tonen aan dat materialen die zijn behandeld met lanthanumchloride meer dan 99% van het fosfor verwijderden, zelfs bij startconcentraties van fosfor tot 20 milligram per liter water. Het beste materiaal kon in drie minuten worden gesynthetiseerd en bereikte met een lage hoeveelheid materiaal (0,2 gram per liter vervuild water) en slechts 30 minuten contacttijd een fosforverwijderingsefficiëntie van 90%. Dit materiaal presteerde ook goed in de aanwezigheid van natuurlijke organische stoffen door selectief fosfor te verwijderen.
De studie suggereert dat lanthanum-gemodificeerde algen-gebaseerde adsorbenten kunnen helpen bij het verminderen van HAB’s door fosfor uit water te verwijderen. De effectiviteit komt voort uit de vorming van een verbinding, LaPO4.H2O (ook bekend als rhabdofaan), die fosfor permanent vasthoudt.
“Onze bevindingen suggereren dat lanthanum-gemodificeerde algen-gebaseerde materialen een effectieve oplossing kunnen zijn voor het verwijderen van fosfor en het voorkomen van schadelijke algengroei als ze op grotere schaal worden gebruikt,” zegt Masoud Jahandar Lashaki, Ph.D., hoofdauteur, assistent-professor en directeur/coördinator van het graduate programma aan de FAU-afdeling Civiele, Milieu- en Geomatische Ingenieurswetenschappen. “Door gebruik te maken van gemakkelijk beschikbare afvalmaterialen zoals algenbiomassa, gecombineerd met lanthanum, een element dat bekend staat om zijn sterke fosforbindende capaciteiten, hebben we een adsorbent ontwikkeld dat effectief overtollig fosfor uit water kan richten en verwijderen. Fosfor is een belangrijke veroorzaker van schadelijke algengroei, wat kan leiden tot giftige wateromstandigheden, verlies van aquatisch leven en aanzienlijke economische gevolgen voor sectoren zoals de visserij en het toerisme.”
De resultaten van deze studie tonen de belofte van deze innovatieve benadering aan om een van de meest urgente uitdagingen in het waterkwaliteitsbeheer aan te pakken. Met verdere verfijning en opschaling zou deze techniek een essentieel hulpmiddel kunnen worden voor het beheren van nutriëntenvervuiling en het behoud van aquatische ecosystemen wereldwijd. “Het onderzoek van ons team benadrukt de hoge efficiëntie van deze materialen bij het verwijderen van fosfor over een breed scala van concentraties. Deze benadering zou een milieuvriendelijke en kosteneffectieve oplossing kunnen bieden om de effecten van eutrofiëring te beperken – het proces waarbij overmatige nutriënten, met name fosfor, de groei van schadelijke algen in meren, rivieren en kustgebieden aanwakkeren,” zegt Stella Batalama, Ph.D., decaan van het FAU College voor Ingenieurswetenschappen en Computerwetenschappen.
“Door lanthanum-gemodificeerde algen-gebaseerde materialen toe te passen in gebieden die kwetsbaar zijn voor schadelijke algengroei, zouden gemeenschappen de kans op deze bloei aanzienlijk kunnen verminderen, waardoor de waterkwaliteit verbetert, ecosystemen worden beschermd en veilig water voor zowel menselijk gebruik als wilde dieren wordt gegarandeerd.”
