Brug af grafenskum til at filtrere toksiner fra drikkevand

Nogle former for vandforurening, såsom algeopblomstring og plastik, der forurener floder, søer, og havmiljøer, ligge i frit syn. Men andre forurenende stoffer er ikke så tydelige, hvilket gør deres påvirkning potentielt farligere. Blandt disse usynlige stoffer er uran. Udvaskning til vandressourcer fra minedrift, atomaffaldspladser, eller fra naturlige underjordiske aflejringer, elementet kan nu findes, der flyder ud af vandhaner over hele verden.

Alene i USA "mange områder er ramt af uranforurening, inklusive High Plains og Central Valley akviferer, som leverer drikkevand til 6 millioner mennesker, " siger Ahmed Sami Helal, en postdoc ved Institut for Nuklear Science and Engineering. Denne forurening udgør en nær og nærværende fare. "Selv små koncentrationer er dårlige for menneskers sundhed, " siger Ju Li, Battelle Energy Alliance professor i nuklear videnskab og teknik og professor i materialevidenskab og teknik.

Nu, et team ledet af Li har udtænkt en yderst effektiv metode til at fjerne uran fra drikkevand. Påføring af en elektrisk ladning på grafenoxidskum, forskerne kan fange uran i opløsning, som udfældes som en kondenseret fast krystal. Skummet kan genbruges op til syv gange uden at miste dets elektrokemiske egenskaber. "Inden for timer, vores proces kan rense en stor mængde drikkevand under EPA-grænsen for uran, " siger Li.

Et papir, der beskriver dette arbejde, blev offentliggjort i denne uge Avancerede materialer . De to første medforfattere er Helal og Chao Wang, en postdoc ved MIT under studiet, som nu er på School of Materials Science and Engineering ved Tongji University, Shanghai. Forskere fra Argonne National Laboratory, Taiwans nationale Chiao Tung Universitet, og University of Tokyo deltog også i forskningen. Defense Threat Reduction Agency (U.S.S. Department of Defense) finansierede senere faser af dette arbejde.

Målretning mod forureningen

Projektet, lanceret for tre år siden, begyndte som et forsøg på at finde bedre tilgange til miljømæssig oprensning af tungmetaller fra minepladser. Til dato, saneringsmetoder for metaller som chrom, cadmium, arsen, at føre, kviksølv, radium, og uran har vist sig at være begrænset og dyrt. "Disse teknikker er meget følsomme over for organiske stoffer i vand, og er dårlige til at adskille tungmetalforureninger, " forklarer Helal. "Så de involverer lange driftstider, høje kapitalomkostninger, og i slutningen af ​​udvindingen, generere mere giftigt slam."

Til holdet, uran syntes at være et særligt attraktivt mål. Feltforsøg fra U.S. Geological Service og Environmental Protection Agency (EPA) har afsløret usunde niveauer af uran, der flytter ind i reservoirer og grundvandsmagasiner fra naturlige stenkilder i det nordøstlige USA, fra damme og gruber, der opbevarer gamle atomvåben og brændstof på steder som Hanford, Washington, og fra minedrift i mange vestlige stater. Denne form for forurening er også udbredt i mange andre nationer. Et alarmerende antal af disse steder viser urankoncentrationer tæt på eller over EPA's anbefalede loft på 30 dele pr. milliard (ppb) - et niveau forbundet med nyreskade, kræftrisiko, og neuroadfærdsændringer hos mennesker.

Den kritiske udfordring lå i at finde en praktisk saneringsproces, der udelukkende var følsom over for uran, i stand til at udvinde det fra opløsning uden at producere giftige rester. Og mens tidligere forskning viste, at elektrisk ladet kulfiber kunne filtrere uran fra vand, resultaterne var delvise og upræcise.

Wang formåede at knække disse problemer - baseret på hendes undersøgelse af opførselen af ​​grafenskum brugt til lithium-svovl-batterier. "Den fysiske ydeevne af dette skum var unik på grund af dets evne til at tiltrække visse kemiske arter til dets overflade, " siger hun. "Jeg troede, at liganderne i grafenskum ville fungere godt sammen med uran."

Enkel, effektiv, og rent

Holdet gik i gang med at omdanne grafenskum til det, der svarer til en uranmagnet. De lærte, at ved at sende en elektrisk ladning gennem skummet, spaltning af vand og frigivelse af brint, de kunne øge den lokale pH og fremkalde en kemisk ændring, der trak uranioner ud af opløsningen. Forskerne fandt ud af, at uranet ville pode sig selv på skummets overflade, hvor det dannede et aldrig før set krystallinsk uranhydroxid. Ved vending af den elektriske ladning, mineralet, som ligner fiskeskæl, gled let af skummet.

Det tog hundredvis af forsøg at få den kemiske sammensætning og elektrolyse helt rigtig. "Vi blev ved med at ændre de funktionelle kemiske grupper for at få dem til at fungere korrekt, " siger Helal. "Og skummet var i starten ret skrøbeligt, tendens til at gå i stykker, så vi var nødt til at gøre det stærkere og mere holdbart, " siger Wang.

Denne uranfiltreringsproces er enkel, effektiv, og rent, ifølge Li:"Hver gang den bliver brugt, vores skum kan fange fire gange sin egen vægt af uran, og vi kan opnå en udvindingskapacitet på 4, 000 mg pr. gram, hvilket er en væsentlig forbedring i forhold til andre metoder, " siger han. "Vi har også gjort et stort gennembrud inden for genanvendelighed, fordi skummet kan gennemgå syv cyklusser uden at miste sin ekstraktionseffektivitet." Grafenskummet fungerer også i havvand, hvor det reducerer urankoncentrationer fra 3 dele pr. million til 19,9 ppb, viser, at andre ioner i saltvandet ikke forstyrrer filtreringen.

Teamet mener, at det er billigt, effektiv enhed kan blive en ny slags vandfilter i hjemmet, montering på vandhaner som dem fra kommercielle mærker. "Nogle af disse filtre har allerede aktivt kul, så måske vi kunne ændre disse, tilføje lavspændingselektricitet til at filtrere uran, " siger Li.

"Uranudvindingen, som denne enhed opnår, er meget imponerende sammenlignet med eksisterende metoder, " siger Ho Jin Ryu, lektor i atom- og kvanteteknik ved Korea Advanced Institute of Science and Technology. Ryu, som ikke var involveret i forskningen, mener, at demonstrationen af ​​genanvendelighed af grafenskum er et "betydeligt fremskridt, "og at "teknologien med lokal pH-kontrol for at forbedre uraniumaflejring vil være virkningsfuld, fordi det videnskabelige princip kan anvendes mere generelt til tungmetaludvinding fra forurenet vand."

Forskerne er allerede begyndt at undersøge bredere anvendelser af deres metode. "Der er en videnskab i dette, så vi kan modificere vores filtre til at være selektive for andre tungmetaller såsom bly, kviksølv, og cadmium, " siger Li. Han bemærker, at radium er en anden væsentlig fare for lokaliteter i USA og andre steder, der mangler ressourcer til pålidelig drikkevandsinfrastruktur.

"I fremtiden, i stedet for et passivt vandfilter, vi kunne bruge et smart filter drevet af ren elektricitet, der aktiverer elektrolytisk virkning, som kunne udvinde flere giftige metaller, fortælle dig, hvornår du skal regenerere filteret, og give dig kvalitetssikring af det vand, du drikker."