Forskere udvikler en ny måde at fjerne forurenende stoffer fra vand på

Når det kommer til at fjerne meget fortyndede koncentrationer af forurenende stoffer fra vand, eksisterende adskillelsesmetoder har tendens til at være energi- og kemikalieintensive. Nu, en ny metode udviklet på MIT kunne give et selektivt alternativ til at fjerne selv ekstremt lave niveauer af uønskede forbindelser.

Den nye tilgang er beskrevet i tidsskriftet Energi- og miljøvidenskab , i et papir af MIT postdoc Xiao Su, Ralph Landau professor i kemiteknik T. Alan Hatton, og fem andre på MIT og på det tekniske universitet i Darmstadt i Tyskland.

Systemet bruger en ny metode, stole på en elektrokemisk proces til selektivt at fjerne organiske forurenende stoffer såsom pesticider, kemiske affaldsprodukter, og lægemidler, selv når disse er til stede i små, men farlige koncentrationer. Tilgangen adresserer også de vigtigste begrænsninger ved konventionelle elektrokemiske separationsmetoder, såsom surhedsudsving og tab i ydeevne, der kan ske som følge af konkurrerende overfladereaktioner.

Nuværende systemer til håndtering af sådanne fortyndede kontaminanter omfatter membranfiltrering, som er dyrt og har begrænset effektivitet ved lave koncentrationer, og elektrodialyse og kapacitiv deionisering, som ofte kræver høje spændinger, der har tendens til at frembringe sidereaktioner, siger Su. Disse processer hæmmes også af overskydende baggrundssalte.

I det nye system, vandet strømmer mellem kemisk behandlede, eller "funktionaliseret, " overflader, der tjener som positive og negative elektroder. Disse elektrodeoverflader er belagt med såkaldte faradaiske materialer, som kan gennemgå reaktioner for at blive positivt eller negativt ladet. Disse aktive grupper kan indstilles til at binde stærkt til en specifik type forurenende molekyle, som holdet demonstrerede ved hjælp af ibuprofen og forskellige pesticider. Forskerne fandt ud af, at denne proces effektivt kan fjerne sådanne molekyler selv ved koncentrationer af dele pr.

Tidligere undersøgelser har normalt fokuseret på ledende elektroder, eller funktionaliserede plader på kun én elektrode, men disse når ofte høje spændinger, der producerer forurenende forbindelser. Ved at bruge passende funktionaliserede elektroder på både de positive og negative sider, i en asymmetrisk konfiguration, forskerne eliminerede næsten fuldstændigt disse bivirkninger. Også, disse asymmetriske systemer muliggør samtidig selektiv fjernelse af både positive og negative toksiske ioner på samme tid, som holdet demonstrerede med herbiciderne paraquat og quinchlorac.

Den samme selektive proces bør også anvendes til genvinding af højværdiforbindelser i et kemisk eller farmaceutisk produktionsanlæg, hvor de ellers kunne gå til spilde, siger Su. "Systemet kunne bruges til miljøsanering, til fjernelse af giftige organiske kemikalier, eller i et kemisk anlæg for at genvinde værdiskabende produkter, da de alle ville stole på det samme princip for at trække minoritetsionen ud fra et komplekst multi-ion system."

Systemet er i sagens natur meget selektivt, men i praksis ville det sandsynligvis være designet med flere stadier til at håndtere en række forskellige forbindelser i rækkefølge, afhængig af den nøjagtige anvendelse, siger Su. "Sådanne systemer kan i sidste ende være nyttige, " foreslår han, "for vandrensningssystemer til fjerntliggende områder i udviklingslandene, hvor forurening fra pesticider, farvestoffer, og andre kemikalier er ofte et problem i vandforsyningen. Den meget effektive, et elektrisk drevet system kunne køre på strøm fra solpaneler i landdistrikter for eksempel."

I modsætning til membranbaserede systemer, der kræver høje tryk, og andre elektrokemiske systemer, der fungerer ved høje spændinger, det nye system fungerer ved relativt godartede lave spændinger og tryk, siger Hatton. Og, han påpeger, i modsætning til konventionelle ionbyttersystemer, hvor frigivelse af de opfangede forbindelser og regenerering af adsorbenterne ville kræve tilsætning af kemikalier, "i vores tilfælde kan du bare dreje en kontakt" for at opnå det samme resultat ved at skifte elektrodernes polaritet.

Forskerholdet har allerede vundet en række hædersbevisninger for den igangværende udvikling af vandbehandlingsteknologi, inklusive tilskud fra konkurrencerne J-WAFS Solutions og Massachusetts Clean Energy Catalyst, og forskerne var topvinderne sidste års MIT Water Innovation Prize. Forskerne har søgt patent på den nye proces. "Vi vil bestemt implementere dette i den virkelige verden, " siger Hatton. I mellemtiden, de arbejder på at opskalere deres prototype-enheder i laboratoriet og forbedre den kemiske robusthed.

Denne teknik "er meget vigtig, da det udvider elektrokemiske systemers muligheder fra grundlæggende ikke-selektive til meget selektiv fjernelse af vigtige forurenende stoffer, " siger Matthew Suss, en assisterende professor i maskinteknik ved Technion Institute of Technology i Israel, som ikke var involveret i dette arbejde. "Som med mange nye vandrensningsteknikker, det skal stadig testes under virkelige forhold og i lange perioder for at kontrollere holdbarheden. Imidlertid, prototypesystemet opnåede over 500 cyklusser, hvilket er et meget lovende resultat."

Disse forskere "har systematisk udforsket en række forskellige enhedskonfigurationer og en række forurenende stoffer, " siger Kyle Smith, en professor i mekanisk videnskab og teknik ved University of Illinois, som heller ikke var involveret i dette arbejde. "I processen har de identificeret generelle designprincipper for at opnå selektiv fjernelse af forurenende stoffer. I denne forbindelse, Jeg synes, at Hatton og kollegers undersøgelse er meget grundig og tankevækkende. Det giver en ramme eller et paradigme, som andre forskere kan efterligne." Men, tilføjer han, "En væsentlig udfordring, der er tilbage, er opskaleringen af ​​disse teknologier."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.