|
 |
Details of project |
|
|
| Identifier |
128000 |
| Type |
PD |
| Principal investigator |
Németh, Zoltán |
| Title in Hungarian |
Cellulóz alapú fotoaktív nanohibrid membránok fejlesztése vírusok ivóvízből történő eltávolítására |
| Title in English |
Development of cellulose based photoactive nanohybrid membranes to remove viruses from drinking water |
| Keywords in Hungarian |
nanohibrid membrán, vírus eltávolítás, adszorpció, felületi töltés, egészséges ivóvíz |
| Keywords in English |
nanohybrid membrane, virus removal, adsorption, surface charge, healthy drinking water |
| Discipline |
| Material Science and Technology (chemistry) (Council of Physical Sciences) | 100 % |
|
| Panel |
Chemistry 1 |
| Department or equivalent |
Kémiai Intézet (University of Miskolc) |
| Starting date |
2018-09-01 |
| Closing date |
2018-11-30 |
| Funding (in million HUF) |
5.269 |
| FTE (full time equivalent) |
0.17 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A membrán technológiák a víztisztítási eljárások élvonalába tartoznak, mivel a hagyományos módszerek, melyeket évtizedek óta használnak (pl. koaguláció, flokkulálás, ülepítés stb.) nem elég hatékonyak a vírusok eltávolítása szempontjából. Ezek a membrán eljárások számos különböző technikára támaszkodhatnak a mikroszűréstől a nanoszűrésig terjedő skálán. A méretkizárásos eljárások azonban nem teljesen alkalmasak a vírusos szennyezések eltávolítására azok kis mérete miatt, amely jellemzően a 20-100 nm-es tartományba esik. A vírus retencióra irányuló ígéretes kísérletek az elektrosztatikusan megnövelt adszorpciós erőkre támaszkodnak, mivel a legtöbb vízi virion nettó negatív felületi töltéssel rendelkezik.
Ismert, hogy a mélységszűrés elve alapján működő cellulóz alapú membránok a vírusok szennyezett vizekből történő eltávolításával javítják ugyan az ivóvíz minőségét, de még mindig meglehetősen korlátozott élettartammal. Jelen PD_18 projekt fő célja új típusú cellulóz alapú fotoaktív nanohibrid membránok tervezése és jellemzése, hogy elősegítsük a vírusok vízből történő adszorpcióját. A cellulóz membránok belső, erősen aktív felületét fotoaktív réz(I) oxid (Cu2O), titán-dioxid (TiO2) és cink-oxid (ZnO) dszorbensek beépítésével növeljük, többfalú szén nanocső (MWCNT) és aktív szén (AC) alapú nanokompozit adalékok előállításával. Ezek a fotoaktív nanokompozit adalékok erősen befolyásolják a cellulóz membrán felszíni töltését és az adszorpció alapú vírus immobilizációt. A cellulóz alapú nanohibrid membránok felületén adszorbeált vírusok inaktiválása fotokatalitikus lebontással, UV fény alkalmazásával érhető el.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A vízkezelő létesítmények korszerűsítésével kapcsolatos újabb erőfeszítések ellenére még mindig nem sikerült megoldani az egészséges ivóvízhez való hozzáférést több százmillió ember számára. Ezekben a régiókban a “point-of-use” (POU) vízkezelés lehet a megoldás. Az emberi egészség legsúlyosabb vízbázisú veszélyét a vírusos és bakteriális szennyeződésének jelentik az ivóvízforrásokban, ami gyakran vezet betegségek kitöréséhez. A membrán elválasztás hatékony módszer különböző alkalmazásokban, beleértve a szennyvíztisztítást és az ivóvizekben lévő mikroorganizmusok eltávolítását.
Mivel a vírusok átlagos mérete a 20-100 nm közötti tartományban van, igazi kihívás a vízkezeléshez szükséges membránok megtervezése. Következésképpen nem várható a vírusok eltávolítása azon membránok esetében, melyeknek pórusmérete nagyobb, mint a vírusok méretei, ha a feltételezés pusztán a méretkizárás elvén alapszik. Az eddig tárgyalt méretkizáráson alapuló szűrőrendszerek egyik alternatívája a vírusok eltávolítása az elektrosztatikus kölcsönhatások következtében fellépő adszorpció által.
A cellulóz alapú fotoaktív membránok alkalmazásával szeretném megválaszolni a kérdést, hogy hány nagyságrenddel csökkenthető a vírusok kezdeti koncentrációja vizes közegben, MS2 bakteriofágok, mint modell vírusok alkalmazásával. Az előállított membránok potenciálisan felhasználhatóak számos alkalmazásban, beleértve az előkezelést, a víz és a szennyvíz utókezelését, valamint a gravitációs felszíni víztisztítást.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Az emberi egészség legsúlyosabb vízbázisú veszélyét a vírusos és bakteriális szennyeződésének jelentik az ivóvízforrásokban, ami gyakran vezet betegségek kitöréséhez. A membrán elválasztás hatékony módszer különböző alkalmazásokban, beleértve a szennyvíztisztítást és az ivóvizekben lévő mikroorganizmusok eltávolítását. Azonban a legtöbb e módszerek közül többlépéses, továbbá képzett személyzetet és elektromos áramot igényel. Azon országok, melyek azért küzdenek, hogy polgáraik számára hozzáférést biztosítsanak az egészséges ivóvízhez, nehéz teljesíteni ezeket a kritériumokat. Ezekben a régiókban a decentralizált vagy helyszíni (point-of-use) vízkezelés lehet a megfelelő megoldás. Ez a vízkezelés jelentősen csökkentheti az egészségügyi esetek számát ott, ahol az ivóvíz a legvalószínűbb fertőzésforrás.
Az elmúlt években nagyszámú tanulmányt közöltek a víztisztításhoz kapcsolódó membrán technológiai fejlesztésekről. Ugyanakkor - legjobb tudomásunk szerint - csak néhány publikációt közöltek adszorpciós alapú nanokompozit szűrőrendszerekről a vírusok vízből történő eltávolítására. A vírus retenció javításának érdekében nagy adszorpciós kapacitású nanorészecskéket kell beépíteni a membrán anyagába. A rendszer eddigi gyakorlati alkalmazását gátolta a rövid élettartam, továbbá, hogy a patogén vírusok szűrő anyagon történő átjutását nem lehetett elkerülni, különösen az adszorpcióra hajlamos huminsavak jelenlétében.
Mint az ismeretes a víz környezetünk egyik legfontosabb alkotóeleme, a vízhiány és a vízszennyezés pedig a 21. század egyik legnagyobb problémája. Jelen PD_18 projekt hatékony, alacsony energia- és költségigényű megoldásokkal vállalja a vízminőség javításával kapcsolatos kihívásokat. További előny, hogy az adszorpciós membránok hatékonyan állíthatóak elő kisméretű felhasználásokhoz (pl. háztartások, helyszíni rendszerek). A kicsi és hatékony szűrő egységek felhasználása során klór és jód nem kerül felhasználásra, ezáltal hozzájárulván a természeti erőforrások megőrzéséhez, továbbá a halogének okozta környezetterhelés és vízszennyezés minimalizáláshoz.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Az Egészségügyi Világszervezet (WHO) adatai szerint, világszerte legalább egy milliárd embernek nincs hozzáférése tiszta ivóvízforráshoz. Az Európában élő 877 millió ember közül jelenleg 140 millióan nem rendelkeznek megfelelő vízellátással, és közel 20 millió ember nem rendelkezik a megfelelő higiéniával. A probléma főként Kelet-Európára összpontosul. Sok fejlődő országban a szennyvíz közvetlenül, kezelés nélkül kerül felhasználásra, ami a kórokozók és szennyezők terjedésével komoly veszélyt jelent a közbiztonságra és az egészségre. Következésképpen sürgősen szükség van új és olcsó közvetlenül használható ivóvíz tisztítási módszerekre.
Mivel a membrán folyamatok a fejlett víztisztítási és sótalanítási technológiák kulcsfontosságú elemei, folyamatos keresés zajlik a víztisztítási technológiákhoz alkalmazható új anyagok után. A funkcionális nanoanyagok használhatók olyan helyszíni víztisztítási rendeszekben is, melyek nem kapcsolódnak a központi hálózathoz. Az ilyen rendszereknek olcsónak, hordozhatónak és az emberi szervezetre ártalmatlannak kell lennie.
Mivel a vírusok átlagos mérete három nagyságrenddel kisebb, mint a baktériumok mérete a membrán technológia tervezése vírusok eltávolítására igazi kihívást jelent. Ez a javaslat a cellulóz membrán mátrixába ágyazott fotoaktív szervetlen nanokompozitokat használ a vírusokkal szennyezett ivóvíz tisztítására. Jelen PD_18 kutatás során az új és költséghatékony membránokat megnövelt élettartammal tervezzük, annak érdekében, hogy elősegítsük a vírusok ivóvízből történő immobilizálását és inaktiválását.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Membrane processes have proven to be the vanguard of water purification methods, as the conventional techniques that have been used for decades (i.e., coagulation, flocculation, sedimentation, etc.) are not efficient enough in regard to virus removal. These membrane processes can rely on many different techniques on the scale from micro- to nanofiltration. However, size-exclusion processes are not completely suitable for the removal of viral contaminations because of their small size, typically in the range of 20-100 nm. Promising attempts on virus retention rely on electrostatically enhanced adsorption forces because most waterborne virions possess a net negative surface charge.
Cellulose-based membranes, working on the depth filtration principle, are known to improve drinking water quality by removing viruses from contaminated water, but still with a rather limited lifetime. The main objective of the proposed PD-18 project is to design and characterize a new type of cellulose-based photoactive nanohybrid membranes to promote adsorption of viruses from water. The internal, highly active surface of the cellulose membranes will be increased by the incorporation of photoactive copper(I) oxide (Cu2O), titanium dioxide (TiO2) and zinc oxide (ZnO) adsorbents via the production of multi-walled carbon nanotube (MWCNT-) and activated carbon (AC-) based nanocomposite additives. These photoactive nanocomposite additives have a strong effect on the cellulose membrane surface charge and the adsorption-based virus immobilization. Inactivation of the adsorbed viruses on the surface of cellulose-based nanohybrid membrane can be achieved by photocatalytic degradation using UV light.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Despite recent efforts in the modernization of water treatment facilities, the problem of access to healthy drinking water for hundreds of millions people has still not been solved. For countries struggling with providing the access to safe drinking water, the criteria for adequate water treatment are difficult to fulfil. In such regions, point-of-use (POU) water treatment can be a possible solution. The most severe waterborne threat to human health is viral and bacterial contamination in drinking water sources, which often results in outbreaks of diseases. Membrane separation is a powerful tool for numerous applications, including wastewater treatment and the removal of microorganisms from drinking water.
As the average size of viruses is in the range of 20-100 nm, it is a real challenge to design membranes for water treatment. Consequently, the removal of viruses by membranes having pore sizes larger than the dimensions of viruses would be not expected if the assumption is based on the size exclusion principle alone. An alternative to the up to now discussed size exclusion based filtration system is the removal of viruses by using adsorption due to electrostatic interactions.
I intend to apply cellulose based photoactive membranes in the research which tries to answer the question of whether by how many orders of magnitude the initial concentration of viruses can be reduced in the aqueous medium, using MS2 bacteriophages, as model viruses. As produced membranes can potentially be used for a wide range of applications including pre-treatment, post-treatment of water and wastewater, as well as gravity-driven surface water filtration.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The most severe water-borne threat to human health is the viral and bacterial contamination of drinking water source, which can often lead to outbreaks of diseases. Membrane separation is a powerful tool for various applications, including wastewater treatment and the removal of microorganisms from drinking water. However, most of these methods are multi-step techniques requiring electric energy and trained personnel. For the countries struggling to provide access to safe drinking water to their citizens, these criteria are difficult to fulfill. In such regions, decentralized or point-of-use (POU) water treatment can be a possible solution. POU water treatment can reduce the number of health cases significantly, where drinking-water is the most probable source of infection.
Over the past years, a large number of studies have been undertaken to develop membrane technologies for water purification. However - to our best knowledge - only few articles have been published suggesting the application of nanocomposites in adsorption-based filtration systems for removing viruses from water. In order to improve virus retention, nanoparticles with high virus adsorption capacities can be introduced in the membrane materials. The practical use of this process has been hindered up to know by its short lifetime. Furthermore, the breakthrough of pathogenic viruses cannot be avoided, in the presence of humic acids susceptible to adsorption.
As well-known, water is one of the most important parts of the environment and water shortage and water pollution are the two most important environmental problems in 21st century. This PD_18 project undertakes the challenge connected to improvement in water quality by using efficient, low-energy and low-cost solutions. A further advantage is the adsorption membranes can be produced efficiently for small-scale applications (e.g. household application, point-of-use systems). For disinfection small, efficient membrane units avoiding the usage of chlorine or iodine will be developed, thus contributing to the preservation of natural resources and minimizing the environmental impact of halogens on water contamination.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
According to the World Health Organization (WHO), at least one billion people worldwide do not have access to clean, potable water source. 140 million out of 877 million people living in Europe today do not have access to a sufficient water-supply and almost 20 million do not have adequate sanitation. Eastern Europe is at the heart of the problem. In many developing countries wastewater is used directly without treatment, which causes major risk factors for public safety and health by the distribution of pathogens and pollutants. Consequently, there is an urgent need for new and cheap point-of-use methods to purify drinking water.
Since membrane processes are considered to be the key components of advanced water purification and desalination technologies, there is a continuous search for new materials for water purification technologies. Functional nanomaterials can be used in point-of-use systems for water purification that are not connected to a central network. Such systems should be cheap, portable and non-toxic.
As the average size of a virus is three orders of magnitude smaller than that of bacteria, it is a real challenge to design membrane technology for virus retention. This proposal uses photoactive inorganic nanocomposites embedded in cellulose membrane matrix to purify drinking water contaminated by viruses. During this PD_18 research project new and cost-effective membranes will be designed with increased lifetime, in order to promote immobilization and inactivation of viruses from drinking water.
|
|
|
|
|
