Et-trins katalysator omdanner nitrater til vand og luft

Ingeniører ved Rice Universitys Nanotechnology Enabled Water Treatment (NEWT) Center har fundet en katalysator, der renser giftige nitrater fra drikkevand ved at omdanne dem til luft og vand.

Forskningen er tilgængelig online i tidsskriftet American Chemical Society ACS katalyse .

"Nitrat kommer hovedsageligt fra landbrugets afstrømning, som påvirker landbrugssamfund over hele verden, " sagde Rice kemiingeniør Michael Wong, den ledende videnskabsmand på undersøgelsen. "Nitrater er både et miljøproblem og et sundhedsproblem, fordi de er giftige. Der er ionbytterfiltre, som kan fjerne dem fra vandet, men disse skal skylles ud med få måneders mellemrum for at genbruge dem, og når det sker, det skyllede vand returnerer bare en koncentreret dosis nitrater tilbage i vandforsyningen."

Wongs laboratorium har specialiseret sig i at udvikle nanopartikelbaserede katalysatorer, submikroskopiske metalstykker, der fremskynder kemiske reaktioner. I 2013 hans gruppe viste, at små guldkugler oversået med pletter af palladium kunne bryde nitritter fra hinanden, de mere giftige kemiske fætre af nitrater.

"Nitrater er molekyler, der har et nitrogenatom og tre oxygenatomer, " Wong forklarede. "Nitrater bliver til nitritter, hvis de mister en ilt, men nitritter er endnu mere giftige end nitrater, så du ønsker ikke at stoppe med nitritter. I øvrigt, nitrater er det mere udbredte problem.

"Ultimativt, den bedste måde at fjerne nitrater på er en katalytisk proces, der adskiller dem fuldstændigt til nitrogen og oxygen, eller i vores tilfælde, nitrogen og vand, fordi vi tilsætter lidt brint, " sagde han. "Mere end 75 procent af Jordens atmosfære er gasformigt nitrogen, så vi omdanner virkelig nitrater til luft og vand."

Nitrater er giftige for spædbørn og gravide og kan også være kræftfremkaldende. Nitratforurening er almindelig i landbrugssamfund, især i U.S. Corn Belt og Californiens Central Valley, hvor der er meget gødning, og nogle undersøgelser har vist, at nitratforureningen er stigende på grund af ændrede arealanvendelsesmønstre.

Både nitrater og nitritter er reguleret af Miljøstyrelsen, som sætter tilladte grænser for sikkert drikkevand. I samfund med forurenede brønde og søer, det betyder typisk forbehandling af drikkevand med ionbytterharpikser, der fanger og fjerner nitrater og nitritter uden at ødelægge dem.

Fra deres tidligere arbejde, Wongs team vidste, at guld-palladium nanopartikler ikke var gode katalysatorer til at nedbryde nitrater. Medforfatter Kim Heck, en forsker i Wongs laboratorium, sagde en søgning i offentliggjort videnskabelig litteratur viste en anden mulighed:indium og palladium.

"Vi var i stand til at optimere det, og vi fandt ud af, at det at dække omkring 40 procent af en palladiumkugles overflade med indium gav os vores mest aktive katalysator, " Heck sagde. "Det var omkring 50 procent mere effektivt end noget andet, vi fandt i tidligere offentliggjorte undersøgelser. Vi kunne have stoppet der, men vi var virkelig interesserede i at forstå, hvorfor det var bedre, og for det var vi nødt til at udforske kemien bag denne reaktion."

I samarbejde med kemiingeniørkollegaerne Jeffrey Miller fra Purdue University og Lars Grabow fra University of Houston, Rice-holdet fandt ud af, at indium fremskynder nedbrydningen af ​​nitrater, mens palladium tilsyneladende forhindrer indium i at blive permanent oxideret.

"Indium kan lide at blive oxideret, "Heck sagde. "Fra vores in situ undersøgelser, vi fandt ud af, at udsættelse af katalysatorerne for opløsninger indeholdende nitrat fik indium til at blive oxideret. Men når vi tilføjede brintmættet vand, palladium fik noget af det oxygen til at binde sig til brinten og danne vand, og det resulterede i, at indium forblev i en reduceret tilstand, hvor det er gratis at bryde flere nitrater fra hinanden."

Wong sagde, at hans team vil arbejde sammen med industrielle partnere og andre forskere for at gøre processen til et kommercielt levedygtigt vandbehandlingssystem.

"Det er her, NEWT kommer ind, " sagde han. "NEWT handler om at tage grundlæggende videnskabelige opdagelser og få dem implementeret under virkelige forhold. Dette vil være et eksempel inden for NEWT, hvor vi har fundet ud af kemien, og næste skridt er at skabe et flowsystem, der viser proof of concept, at teknologien kan bruges i marken."

NEWT er et multi-institutionelt ingeniørforskningscenter baseret på Rice, der blev etableret af National Science Foundation i 2015 for at udvikle kompakte, mobil, off-grid vandbehandlingssystemer, der kan give rent vand til millioner af mennesker og gøre amerikansk energiproduktion mere bæredygtig og omkostningseffektiv. NEWT forventes at udnytte mere end $40 millioner i føderal og industriel støtte i 2025 og er fokuseret på ansøgninger om humanitær nødberedskab, landlige vandsystemer og spildevandsbehandling og genbrug på fjerntliggende steder, herunder både onshore og offshore boreplatforme til olie- og gasefterforskning.