Processen fjerner samtidigt giftige metaller og salt for at producere rent vand

University of California, Berkeley, kemikere har opdaget en måde at forenkle fjernelsen af ​​giftige metaller. som kviksølv og bor. under afsaltning for at producere rent vand, samtidig med at det potentielt kan indfange værdifulde metaller, såsom guld.

Afsaltning - fjernelse af salt - er kun et trin i processen med at producere drikkevand, eller vand til landbrug eller industri, fra hav eller spildevand. Enten før eller efter fjernelse af salt, vandet skal ofte behandles for at fjerne bor, som er giftig for planter, og tungmetaller som arsen og kviksølv, som er giftige for mennesker. Tit, processen efterlader en giftig saltlage, der kan være vanskelig at bortskaffe.

Den nye teknik, som let kan føjes til nuværende membranbaserede afsaltningsprocesser for elektrodialyse, fjerner næsten 100% af disse giftige metaller, fremstilling af en ren saltlage sammen med rent vand og isolering af de værdifulde metaller til senere brug eller bortskaffelse.

"Afsaltnings- eller vandrensningsanlæg kræver typisk en lang række høje omkostninger, systemer før og efter behandling, som alt vandet skal igennem, en efter en, "sagde Adam Uliana, en kandidatstuderende ved UC Berkeley, der er første forfatter til et papir, der beskriver teknologien. "Men her, vi har evnen til at udføre flere af disse trin alt i ét, hvilket er en mere effektiv proces. I bund og grund, du kunne implementere det i eksisterende opsætninger. "

UC Berkeley -kemikerne syntetiserede fleksible polymermembraner, ligesom dem, der i øjeblikket bruges i membranseparationsprocesser, men indlejrede nanopartikler, der kan indstilles til at absorbere specifikke metalioner - guld- eller uranioner, for eksempel. Membranen kan inkorporere en enkelt type afstemt nanopartikel, hvis metallet skal genvindes, eller flere forskellige typer, hver afstemt til at absorbere et andet metal eller en ionisk forbindelse, hvis flere kontaminanter skal fjernes i et trin.

Polymermembranen snøret med nanopartikler er meget stabil i vand og ved høj varme, hvilket ikke er tilfældet for mange andre typer absorbere, herunder de fleste metal-organiske rammer (MOF'er), når de er indlejret i membraner.

Forskerne håber at kunne indstille nanopartiklerne til at fjerne andre typer giftige kemikalier, herunder en almindelig grundvandsforurening:PFAS, eller polyfluoralkylstoffer, som findes i plast. Den nye proces, som de kalder ionfangende elektrodialyse, også potentielt kunne fjerne radioaktive isotoper fra spildevand fra atomkraftværker.

I deres undersøgelse, offentliggøres i denne uge i tidsskriftet Videnskab , Uliana og seniorforfatter Jeffrey Long, UC Berkeley professor i kemi, demonstrere, at polymermembranerne er yderst effektive, når de inkorporeres i membranbaserede elektrodialysesystemer-hvor en elektrisk spænding driver ioner gennem membranen for at fjerne salt og metaller-og diffusionsdialyse, som primært bruges i kemisk forarbejdning.

"Elektrodialyse er en kendt metode til afsaltning, og her gør vi det på en måde, der inkorporerer disse nye partikler i membranmaterialet og fanger målrettede giftige ioner eller neutrale opløste stoffer, som bor, "Lange sagde." Så, mens du driver ioner gennem denne membran, du dekontaminerer også vandet for, sige, kviksølv. Men disse membraner kan også være yderst selektive til fjernelse af andre metaller, som kobber og jern, ved høj kapacitet. "

Global vandmangel kræver genbrug af spildevand

Vandmangel bliver almindelig rundt om i verden, herunder i Californien og det amerikanske vest, forværret af klimaændringer og befolkningstilvækst. Kystsamfund installerer i stigende grad planter til afsaltning af havvand, men indre samfund, også, leder efter måder at vende forurenede kilder på - grundvand, landbrugsafstrømning og industriaffald - til rent, sikkert vand til afgrøder, hjem og fabrikker.

Mens omvendt osmose og elektrodialyse fungerer godt til fjernelse af salt fra vandkilder med høj saltholdighed, såsom havvand, den efterladte koncentrerede saltlage kan have høje metaller, herunder cadmium, krom, kviksølv, at føre, kobber, zink, guld og uran.

Men havet bliver i stigende grad forurenet af industri og landbrugsafstrømning, og indenlandske kilder endnu mere.

"Dette ville være særligt nyttigt for de områder, der har lave niveauer af forurenende stoffer, der stadig er giftige på disse lave niveauer, samt forskellige spildevandssteder, der har masser af typer giftige ioner i deres vandløb, "Sagde længe.

De fleste afsaltningsprocesser fjerner salt - der hovedsageligt findes som natrium- og chlorioner i vand - ved hjælp af en omvendt osmosemembran, som lader vandet komme igennem, men ikke ioner, eller en ionbytterpolymer, som tillader ioner igennem, men ikke vand. Den nye teknologi tilføjer blot porøse nanopartikler, hver cirka 200 nanometer i diameter, der fanger specifikke ioner, mens natrium tillades, chlor og andre ikke-målrettede ladede molekyler til at passere igennem.

Lange designs og undersøgelser af porøse materialer, der kan dekoreres med unikke molekyler, der fanger målrettede forbindelser fra væske- eller gasstrømme:kuldioxid fra kraftværksemissioner, for eksempel. Nanopartiklerne, der bruges i disse polymermembraner, kaldes porøse aromatiske rammer, eller PAF'er, som er tredimensionelle netværk af carbonatomer forbundet med forbindelser, der består af flere ringformede molekyler-kemiske grupper omtalt som aromatiske forbindelser. Den indre struktur er relateret til en diamants, men med koblingen mellem carbonatomer forlænget af den aromatiske linker for at skabe masser af indre rum. Forskellige molekyler kan bindes til de aromatiske linkere for at fange specifikke kemikalier.

For at fange kviksølv, for eksempel, svovlforbindelser kaldet thioler, som vides at binde kviksølv tæt, er vedhæftet. Tilføjede methylerede svovlgrupper muliggør opsamling af kobber, og grupper indeholdende ilt og svovlfangstjern. De ændrede nanopartikler udgør ca. 20% af membranens vægt, men, fordi de er meget porøse, tegner sig for omkring 45% af volumen.

Beregninger tyder på, at et kg af polymermembranen stort set kan fjerne alt kviksølv fra 35, 000 liter vand indeholdende 5 dele pr. Million (ppm) af metallet, før det kræver regenerering af membranen.

Uliana viste i sine forsøg, at borsyre, en forbindelse af bor, der er giftig for afgrøder, kan fjernes af disse membraner, dog med diffusionsdialyse, der er afhængig af en koncentrationsgradient til at drive kemikaliet - hvilket ikke er ionisk, som metaller - gennem membranen, der skal indfanges af PAF -nanopartiklerne.

"Vi prøvede forskellige typer vand med høj saltholdighed-f.eks. grundvand, industrielt spildevand og også brakvand - og metoden fungerer for hver af dem, "sagde han." Det ser ud til at være alsidigt for forskellige vandkilder; det var et af de designprincipper, vi ønskede at lægge i dette. "

Uliana demonstrerede også, at membranerne kan genbruges mange gange - mindst 10, men sandsynligvis mere - uden at miste deres evne til at absorbere ioniske metaller. Og membraner, der indeholder PAF'er, der er indstillet til at absorbere metaller, frigiver let deres absorberede metaller til opsamling og genbrug.

”Det er en teknologi, hvor afhængigt af hvad dine giftige urenheder er, du kunne tilpasse membranen til at håndtere den type vand, "Lang tilføjet." Du kan have problemer med bly, sige, i Michigan, eller jern og arsen i Bangladesh. Så, du målretter membranerne mod bestemte forurenede vandkilder. Disse materialer slår det virkelig ned til ofte umådelige niveauer. "