Ny schweizisk hærkniv renser for vandforurening

Fosfatforurening i floder, søer og andre vandveje har nået farlige niveauer, forårsager algeopblomstring, der sulter fisk og vandplanter for ilt. I mellemtiden landmænd verden over er ved at komme overens med en svindende reserve af fosfatgødning, der leverer halvdelen af ​​verdens fødevareforsyning.

Inspireret af Chicagos mange nærliggende vandområder, et team ledet af Northwestern University har udviklet en måde at gentagne gange fjerne og genbruge fosfat fra forurenet vand. Forskerne sammenligner udviklingen med en "schweizerkniv" til afhjælpning af forurening, da de skræddersy deres membran til at absorbere og senere frigive andre forurenende stoffer.

Forskningen vil blive offentliggjort i ugen af ​​31. maj i Proceedings of the National Academy of Science .

Fosfor understøtter både verdens fødevaresystem og alt liv på jorden. Enhver levende organisme på planeten kræver det:fosfor er i cellemembraner, stilladset af DNA og i vores skelet. Selvom andre nøgleelementer som ilt og nitrogen kan findes i atmosfæren, fosfor har ingen analog. Den lille del af anvendeligt fosfor kommer fra jordskorpen, som tager tusinder eller endda millioner af år at forvitre væk. Og vores miner er ved at løbe tør.

En artikel fra 2021 i The Atlantic af Julia Rosen citerede Isaac Asimovs essay fra 1939, hvor den amerikanske forfatter og kemiker kaldte fosfor "livets flaskehals".

I betragtning af manglen på denne ikke-fornybare naturressource, det er desværre ironisk, at mange af vores søer lider under en proces kendt som eutrofiering, som opstår, når for mange næringsstoffer kommer ind i en naturlig vandkilde. Efterhånden som fosfat og andre mineraler ophobes, vandvegetation og alger bliver for tætte, opbruge ilt fra vand og i sidste ende dræbe vandlevende organismer.

"Vi plejede at genbruge fosfat meget mere, sagde Stephanie Ribet, avisens første forfatter. "Nu trækker vi det bare op af jorden, brug den én gang og skyl den ud i vandkilder efter brug. Så, det er et forureningsproblem, et bæredygtighedsproblem og et problem med cirkulær økonomi."

Økologer og ingeniører har traditionelt udviklet taktikker til at imødegå de voksende miljø- og folkesundhedsproblemer omkring fosfat ved at fjerne fosfat fra vandkilder. Først for nylig er vægten flyttet væk fra at fjerne til at genvinde fosfat.

"Man kan altid gøre visse ting i et laboratoriemiljø, " sagde Vinayak Dravid, undersøgelsens tilsvarende forfatter. "Men der er et Venn-diagram, når det kommer til opskalering, hvor du skal være i stand til at skalere teknologien, du vil have det til at være effektivt, og du vil have det til at være overkommeligt. Der var intet i det kryds mellem de tre før, men vores svamp ser ud til at være en platform, der opfylder alle disse kriterier."

Dravid er Abraham Harris professor i materialevidenskab og teknik ved Northwesterns McCormick School of Engineering, den stiftende direktør for Northwestern University Atomic and Nanoscale Characterization Experimental Center (NUANCE), og direktør for Soft and Hybrid Nanotechnology Experimental Resource (SHyNE). Dravid fungerer også som direktør for globale initiativer for Northwesterns International Institute of Nanotechnology. Ribet er ph.d. studerende i Dravids laboratorium og avisens førsteforfatter.

Holdets Phosphate Elimination and Recovery Lightweight (PEARL) membran er en porøs, fleksibelt underlag (såsom en belagt svamp, stof eller fibre), der selektivt binder op til 99 % af fosfationer fra forurenet vand. Belagt med nanostrukturer, der binder til fosfat, PEARL-membranen kan indstilles ved at kontrollere pH-værdien til enten at absorbere eller frigive næringsstoffer for at muliggøre genvinding af fosfat og genbrug af membranen i mange cyklusser.

Nuværende metoder til at fjerne fosfat er baseret på komplekse, langvarig, flertrins metoder. De fleste af dem genvinder ikke også fosfatet under fjernelse og genererer i sidste ende en masse fysisk affald. PEARL-membranen giver en enkel et-trins proces til at fjerne fosfat, som også effektivt genvinder det. Det kan også genbruges og genererer intet fysisk affald.

Ved at bruge prøver fra Chicago's Water Reclamation District, forskerne testede deres teori med den ekstra kompleksitet af ægte vandprøver.

"Vi kalder dette ofte en 'nanoskalaløsning på et gigaton-problem,' '" sagde Dravid. "På mange måder har de nanoskala-interaktioner, som vi studerer, konsekvenser for remediering på makroniveau."

Holdet har vist, at den svampebaserede tilgang er effektiv på skalaer, lige fra milligram til kilogram, tyder på løfte om at skalere endnu længere.

Denne forskning bygger på en tidligere udvikling fra det samme hold – Vikas Nandwana, et medlem af Dravid-gruppen og medforfatter på denne undersøgelse var den første forfatter - kaldet OHM (oleofil hydrofobisk multifunktionel) svamp, der brugte den samme svampeplatform til selektivt at fjerne og genvinde olie som følge af olieforurening i vand. Ved at modificere nanomaterialets belægning i membranen, holdet planlægger næste gang at bruge deres "plug-and-play"-lignende ramme til at gå efter tungmetaller. Ribet sagde også, at flere forurenende stoffer kunne behandles på én gang ved at anvende flere materialer med skræddersyede affiniteter.

"Denne vandsaneringsudfordring rammer så tæt på hjemmet, " sagde Ribet. "Det vestlige bassin af Lake Erie er et af de vigtigste områder, du tænker på, når det kommer til eutrofiering, og jeg blev inspireret af at lære mere om vandsaneringsudfordringerne i vores Great Lakes-kvarter."