Lavpris, energieffektiv tilgang til behandling af vand, der er forurenet med tungmetaller

Ingeniører på MIT har udviklet en ny tilgang til fjernelse af bly eller andre tungmetalforurenende stoffer fra vand, i en proces, som de siger er langt mere energieffektiv end noget andet i øjeblikket brugt system, selvom der er andre under udvikling, der kommer tæt på. Ultimativt, det kan bruges til at behandle blyforurenet vandforsyning på hjemmeplan, eller til behandling af forurenet vand fra nogle kemiske eller industrielle processer.

Det nye system er det nyeste i en række applikationer baseret på første resultater for seks år siden af ​​medlemmer af det samme forskerhold, oprindeligt udviklet til afsaltning af havvand eller brakvand, og senere tilpasset til fjernelse af radioaktive forbindelser fra kølevandet fra atomkraftværker. Den nye version er den første sådan metode, der kan være anvendelig til behandling af husholdningsvandforsyninger, såvel som industrielle anvendelser.

Resultaterne offentliggøres i dag i tidsskriftet Miljøvidenskab og teknologi -Vand, i et oplæg af MIT -kandidatstuderende Huanhuan Tian, Mohammad Alkhadra, og Kameron Conforti, og professor i kemiteknik Martin Bazant.

"Det er notorisk svært at fjerne giftigt tungmetal, der er vedholdende og findes i mange forskellige vandkilder, "Alkhadra siger." Der er naturligvis konkurrerende metoder i dag, der udfører denne funktion, så det er et spørgsmål om, hvilken metode der kan gøre det til lavere omkostninger og mere pålideligt. "

Den største udfordring i forsøget på at fjerne bly er, at det generelt er til stede i så små koncentrationer, meget overskredet af andre elementer eller forbindelser. For eksempel, natrium er typisk til stede i drikkevand i en koncentration på titalls dele pr. million, der henviser til, at bly kan være meget giftigt med kun få dele pr. milliard. De fleste eksisterende processer, såsom omvendt osmose eller destillation, fjern alt på én gang, Forklarer Alkhadra. Dette kræver ikke kun meget mere energi, end det ville være nødvendigt for en selektiv fjernelse, men det er kontraproduktivt, da små mængder af elementer som natrium og magnesium faktisk er afgørende for sundt drikkevand.

Den nye tilgang er at bruge en proces kaldet chokelektrodialyse, hvor et elektrisk felt bruges til at producere en stødbølge inde i et rør, der fører det forurenede vand. Stødbølgen adskiller væsken i to vandløb, selektivt at trække visse elektrisk ladede atomer, eller ioner, mod den ene side af strømmen ved at indstille egenskaberne af stødbølgen, så den matcher målionerne, mens der efterlades en strøm af relativt rent vand på den anden side. Strømmen indeholdende de koncentrerede blyioner kan derefter let adskilles ved hjælp af en mekanisk barriere i røret.

I princippet, "Dette gør processen meget billigere, "Bazant siger, "fordi den elektriske energi, du lægger i for at foretage adskillelsen, virkelig går efter målet med høj værdi, som er føringen. Du spilder ikke meget energi på at fjerne natrium. "Fordi blyet er til stede ved en så lav koncentration, "der er ikke meget strøm involveret i at fjerne disse ioner, så dette kan være en meget omkostningseffektiv måde. "

Processen har stadig sine begrænsninger, da det kun er blevet påvist i lille laboratorieskala og ved ganske langsomme strømningshastigheder. Opskalering af processen for at gøre den praktisk til hjemmebrug vil kræve yderligere forskning, og større industriel anvendelse vil tage endnu længere tid. Men det kan være praktisk inden for få år for nogle hjemmebaserede systemer, Siger Bazant.

For eksempel, et hjem, hvis vandforsyning er stærkt forurenet med bly, kan have et system i kælderen, der langsomt behandler en vandstrøm, påfyldning af en tank med blyfrit vand, der skal bruges til at drikke og lave mad, mens det meste af vandet efterlades ubehandlet til anvendelser som toiletskylning eller vanding af græsplænen. Sådanne anvendelser kan være passende som en midlertidig foranstaltning til steder som Flint, Michigan, hvor vandet, for det meste forurenet af fordelingsrørene, vil tage mange år at afhjælpe gennem rørskift.

Processen kan også tilpasses til nogle industrielle anvendelser, såsom rengøring af vand produceret i minedrift eller boreoperationer, så det behandlede vand sikkert kan bortskaffes eller genbruges. Og i nogle tilfælde, dette kunne også give en måde at genvinde metaller, der forurener vand, men faktisk kunne være et værdifuldt produkt, hvis de blev adskilt; for eksempel, nogle sådanne mineraler kan bruges til behandling af halvledere eller lægemidler eller andre højteknologiske produkter, siger forskerne.

Direkte sammenligninger af økonomien i et sådant system i forhold til eksisterende metoder er vanskelige, Bazant siger, fordi i filtreringssystemer, for eksempel, omkostningerne er hovedsageligt til udskiftning af filtermaterialerne, som hurtigt tilstoppes og bliver ubrugelige, der henviser til, at omkostningerne i dette system hovedsageligt er til det løbende energiindgang, som er meget lille. På dette tidspunkt, chokelektrodialysesystemet har været i drift i flere uger, men det er for tidligt at estimere den virkelige verdens levetid for et sådant system, han siger.

Det vil tage noget tid at udvikle processen til et skalerbart kommercielt produkt, men "vi har vist, hvordan dette kunne gøres, fra et teknisk synspunkt, "Bazant siger." Hovedproblemet ville være på den økonomiske side, "tilføjer han. Det omfatter at finde ud af de mest passende applikationer og udvikle specifikke konfigurationer, der ville opfylde disse anvendelser." Vi har en rimelig idé om, hvordan vi skal skalere dette op. Så det er et spørgsmål om at have ressourcerne, "som kan være en rolle for et opstartsfirma frem for et akademisk forskningslaboratorium, tilføjer han.

”Jeg synes, det er et spændende resultat, " han siger, "fordi det viser, at vi virkelig kan løse denne vigtige anvendelse" for at rense blyet fra drikkevand. For eksempel, han siger, der er steder nu, der udfører afsaltning af havvand ved hjælp af omvendt osmose, men de skal køre denne dyre proces to gange i træk, først for at få saltet ud, og derefter igen for at fjerne de lave, men meget giftige forurenende stoffer som bly. Denne nye proces kan bruges i stedet for den anden runde af omvendt osmose, ved et langt lavere energiforbrug.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.