Avancerede polymerer hjælper med at strømline vandrensning, miljøsanering

Det kræver meget energi at samle, rense og bortskaffe forurenet vand. Nogle forurenende stoffer, som arsen, forekommer i lave koncentrationer, kræver endnu mere energikrævende selektive fjernelsesprocesser.

I et nyt blad, forskere adresserer dette forhold mellem vand og energi ved at introducere en enhed, der kan rense og afhjælpe arsen-forurenet vand i et enkelt trin. Ved hjælp af specialiserede polymerelektroder, enheden kan reducere arsen i vand med over 90 %, mens den bruger cirka 10 gange mindre energi end andre metoder.

Resultaterne af den nye undersøgelse er offentliggjort i tidsskriftet Avancerede materialer . Arsen er et naturligt forekommende grundstof, der trænger ind i grundvandsmagasiner, vandløb og søer, når vand reagerer med arsenholdige sten og anses for at være meget giftig, sagde forskerne. Dette er et globalt problem, der berører mere end 200 millioner mennesker i 70 lande.

Ikke alt arsen er det samme, sagde Xiao Su, en kemisk og biomolekylær ingeniørprofessor ved University of Illinois, der ledede undersøgelsen. Den farligste form for arsen, kendt som arsenit, er meget reaktiv med biologiske væv, men omdannes til en mindre giftig form, kaldet arsenat, gennem en simpel oxidationsreaktion.

"Vi kan fjerne arsenit fra vand ved hjælp af absorbenter, specialiserede membraner eller fordampning, men det er alle meget energikrævende processer, der i sidste ende efterlader en masse giftigt affald, " sagde Su. "Ved at have en enhed, der kan fange arsenit med en høj selektivitet og omdanne det til en mindre giftig form, vi kan reducere affaldets toksicitet, mens vi renser vandet."

Den proof-of-concept-enhed fungerer ved at integrere forureningsadskillelse og reaktionstrinn i en enkelt enhed med en elektrokatalytisk celle - svarende til et batteri - ved hjælp af redoxaktive polymerer. Når det forurenede vand kommer ind i enheden, den første polymerelektrode fanger selektivt arsenitten og sender den til den anden polymerelektrode, hvor den fjernes for to af sine elektroner – eller oxideres – for at danne arsenat. Rent vand forlader derefter enheden, og arsenataffaldet koncentreres til yderligere bortskaffelse, sagde Su.

"Processen drives af elektrokemiske reaktioner, så enheden kræver ikke meget elektricitet for at køre og tillader genbrug af elektroderne kun baseret på elektrokemisk potentiale, " sagde Su. "At kombinere adskillelses- og reaktionstrinnene i én enhed er et eksempel på, hvad vi kalder procesintensivering, som vi mener er en vigtig tilgang til at imødegå miljøproblemer relateret til energi og vand – især mængden af ​​energi, det tager at rense og afhjælpe forurenet vand."

Ud over forbedret bæredygtighed og energieffektivitet, denne elektrokemiske tilgang har fordele til feltimplementering, sagde forskerne. Brugere kan køre enheden ved hjælp af solpaneler i områder, hvor der er knaphed på elektricitet - som i dele af landdistrikterne i Bangladesh, et land, hvor over 60 % af befolkningen er ramt af arsenforurenet vand, sagde forskerne.

Der er udfordringer at tage fat på, før enheden er klar til implementering i den virkelige verden. "Vi er nødt til at øge stabiliteten af ​​elektroderne, fordi denne proces skal cykles mange gange, mens den kører, " sagde Su. "Vi bruger meget specialiserede, meget avancerede polymermaterialer til elektroderne. Imidlertid, vi skal sørge for, at vi designer dem, så de ikke kun er meget selektive for arsen, men også meget stabile og robuste, så de ikke skal udskiftes konstant. Dette vil kræve yderligere kemisk udvikling at overvinde."