Aangepaste klei haalt onkruidverdelger uit water

Door in klei gelijkmatige spleetjes aan te brengen is RUG-hoogleraar Experimentele Vaste Stof Fysica Petra Rudolf erin geslaagd een giftige onkruidverdelger uit water te filteren. Nadat die stof door verhitting uit de klei is verwijderd is deze opnieuw te gebruiken. Samen met collega’s uit Griekenland beschrijft Rudolf hoe dit principe werkt in het tijdschrift Environmental Science: Nano.

Een toevallige ontmoeting bij de Groningse afdeling van Zonta, een organisatie van vrouwelijke professionals, leidde tot een nieuw onderzoekidee voor Rudolf. ‘Tijdens een bijeenkomst raakte ik aan de praat met een ander lid, en zij vroeg wat voor werk ik doe.’ Dit was Hilde Prummel, directeur van het Waterlaboratorium Noord. Toen zij hoorde dat het onderzoek van Rudolf onder meer gaat over poreuze materialen die specifieke stoffen kunnen absorberen, legde zij haar een probleem voor over waterkwaliteit.

Suikerbieten

In Noord Nederland worden op grote schaal suikerbieten geteeld. Op die akkers gebruiken boeren de onkruidverdelger chloridazon. Deze stof is giftig voor mensen en breekt niet vanzelf af in de natuur. Uiteindelijk komt het middel in het grondwater terecht. De concentraties chloridazon liggen nog wel onder de veilige grenswaarden, maar omdat het niet wordt afgebroken is de verwachting dat ze zullen stijgen. ‘Waterzuiveringsinstallaties breken chloridazon af met behulp van UV licht, maar de afbraakproducten zijn ook weer giftig’, vertelt Rudolf.

Zij beheerst een techniek waarmee het mogelijk is om holtes in klei te maken op nanoschaal met een vooraf bepaalde afmeting. ‘Klei is een gelaagd mineraal’, legt Rudolf uit. ‘De laagjes hebben een negatieve lading en zijn van elkaar gescheiden door positieve ionen. We kunnen die vervangen door moleculaire pilaartjes die we zelf ontwerpen.’ De natuurlijke klei wordt eerst gewassen, en daarna behandeld met natriumzouten. Het natrium vervangt de natuurlijke positieve ionen tussen de laagjes. ‘De natriumionen zijn omgeven door een watermantel, die de laagjes een stukje verder uit elkaar drukt. Wanneer we vervolgens de pilaar-moleculen erbij doen, vervangen die weer het natrium.’

Resultaat

De pilaren zijn doorgaans gemaakt van silicium oxide, waar extra chemische groepen aan zijn gezet die specifieke verbindingen aantrekken. Rudolf: ‘In dit geval voegden we koper ionen toe om de chloridazon en de afbraakproducten ervan te binden.’ Deze aangepaste klei is in staat om relatief grote hoeveelheden van het onkruidmiddel op te nemen, bijna 900 milligram per kilo klei. ‘Dat is een goed resultaat, en we zien nog ruimte om de opname te verbeteren.’ Daarnaast konden Rudolf en haar collega’s aantonen dat de onkruidverdelger uit de klei is te verwijderen door die te verhitten. Daarna is de klei opnieuw te gebruiken.

Deze eerste resultaten zijn behaald met concentraties chloridazon die tien keer hoger zijn dan tot nu toe in het milieu is gevonden. Ook zijn de proeven uitgevoerd in schoon water. ‘We zullen de experimenten nu moeten herhalen met echt grondwater, om te zien of andere stoffen die daarin zitten de absorptie beïnvloeden.’ Wanneer alle verdere testen een positief resultaat opleveren, is de volgende vraag hoe de aangepaste klei in waterzuivering gebruikt zou kunnen worden. ‘We kunnen de klei gewoon aan het water toevoegen en het er dan weer uit filteren, maar het is ook mogelijk er een membraan mee te maken’, legt Rudolf uit.

Testen

Door de spleetjes tussen de kleilaagjes en de eigenschappen van de pilaren aan te passen, is het mogelijk om allerlei verschillende stoffen te vangen met dit materiaal. ‘We testen nu een systeem om twee andere verbindingen uit water te halen’, vertelt Rudolf. ‘Bovendien zouden we ook andere gelaagde materialen hiervoor kunnen gebruiken, zoals bijvoorbeeld grafeenoxide.’

Referentie: F. Yan, K. Spyrou, E. Thomou, S. Kumar, H. Cao, M. C.A. Stuart, Y. T. Pei, D. Gournis and P. Rudolf: Smectite clay pillared with copper complexed polyhedral oligosilsesquioxane for adsorption of chloridazon and its metabolites. Environmental Science: Nano 2020 , first online 21 Nov 2019