Jedes Jahr ist die Luftverschmutzung in Frankreich für mehrere zehntausend Todesfälle verantwortlich. Zu den schädlichsten Verbindungen gehören flüchtige organische Verbindungen (COV), Moleküle wie Kohlenwasserstoffe, Alkohole, Aldehyde..., die sehr leicht verdampfen und in die Atmosphäre gelangen. Aufgrund ihrer Toxizität und ihrer Persistenz in der Umwelt ist es von entscheidender Bedeutung, ihre Emissionen zu begrenzen oder ihre Zerstörung zu optimieren.
Illustrationsbild Unsplash
Konventionelle Methoden zur Entfernung von COV - thermische Oxidation, Adsorption oder Kondensation - weisen erhebliche Grenzen in Bezug auf Effizienz, Kosten oder Umweltauswirkungen auf. Eine vielversprechende Alternative ist der Einsatz von Enzymen, diese biologischen Katalysatoren, die bestimmte Schadstoffe gezielt umwandeln können.
Ihre Umsetzung stößt jedoch auf ein großes Problem: Viele COV sind hydrophob, das heißt, sie lösen sich schlecht in Wasser, dem Medium, in dem Enzyme aktiv sind und das sie zum Überleben benötigen. Es wird dann schwierig, Schadstoffe und Enzyme effektiv interagieren zu lassen, es sei denn, man schafft eine Brücke zwischen diesen beiden Welten.
Genau das haben Wissenschaftler des Institut des sciences chimiques de Rennes (CNRS/Universität Rennes/ENSCR/INSA Rennes) in Zusammenarbeit mit internationalen Partnern (Khalifa Universität, Vereinigte Arabische Emirate) erreicht. Der erste, vollständig beherrschte Schritt besteht darin, die COV aus der Luft in eine organische Flüssigphase zu überführen, für die sie eine Affinität aufweisen.
Die Wissenschaftler entwickelten dann eine originelle (Janus-)Membran, die als Grenzfläche zwischen den beiden nicht mischbaren Medien dient: eine hydrophobe Seite für die organische Phase, die die zu entfernenden Schadstoffe enthält, und auf der hydrophilen Seite immobilisierte Enzyme, die in der Lage sind, diese zu eliminieren (Abbildung). Diese Vorrichtung ermöglicht es, die in der organischen Phase vorhandenen COV mit den Enzymen in Kontakt zu bringen, ohne die beiden Phasen mischen zu müssen.
© Katarzyna Knozowska.
Getestet an Phenol, einem gängigen Modellschadstoff, eliminiert dieses Enzymmembransystem bis zu 74 % innerhalb von zehn Stunden. Ein weiterer Vorteil: Die auf der Membran immobilisierten Enzyme können über mehrere Zyklen hinweg wiederverwendet werden, was die Nachhaltigkeit des Verfahrens erheblich verbessert. Die Wissenschaftler zeigten auch, dass die Struktur der Membran den Transfer der Schadstoffe zwischen den beiden Phasen begünstigt und gleichzeitig ihre Trennung aufrechterhält, eine wesentliche Voraussetzung für die Effizienz der Vorrichtung.
Diese Studie zeigt das Potenzial von Janus-Membranen als Enzymreaktoren für die Behandlung hydrophober COV. Indem sie Erfassung und Abbau von Schadstoffen in ein und derselben Vorrichtung kombiniert, ebnet dieser Ansatz den Weg für kompaktere, selektivere und umweltfreundlichere Verfahren.
Redakteur: Christophe CARTIER DIT MOULIN