Adsorberende materiale filtrerer giftigt krom, arsen fra vandforsyninger

Forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory tackler en global vandudfordring med et unikt materiale designet til at målrette ikke én, men to giftige tungmetalforurenende stoffer til samtidig fjernelse.

ORNLs Santa Jansone-Popova fra Chemical Sciences Division og Ping Li, nu hos Elementis Global, har opdaget en adsorbent med høj selektivitet for chrom og arsen under virkelige forhold, hvor vandressourcer indeholder mange kemisk lignende grundstoffer.

Resultater offentliggjort i Small demonstreret, at det nye materiale opfanger krom og arsen i et afbalanceret 2-til-1-forhold. Det grundlæggende fremskridt skaber synergi mellem chrom- og arsenopsamling, så jo mere chrom materialet griber, jo mere arsen kan det også fjerne.

"Det er sjældent, at en adsorbent opfanger to forurenende stoffer samtidigt og arbejder hurtigt og effektivt i realistiske scenarier for at håndtere den brede vifte af vandforhold på verdensplan," sagde Jansone-Popova.

Chrom og arsen er to af de farligste forurenende stoffer, der findes i drikkevand på verdensplan. Begge er giftige og kan forårsage sundhedsskadelige virkninger, herunder kræft. Selv lave niveauer udgør betydelige risici for levende organismer, fordi doser bioakkumuleres eller opbygges ved hver eksponering og gradvist kan nå skadelige mængder. Disse elementer forekommer naturligt, men deres tilstedeværelse i miljøet er steget med industri og urbanisering som biprodukter af bred minedrift, produktion og fremstilling. Frigiver luft, jord og vand, men drikkevand er den mest almindelige eksponeringsvej.

I vand opløses disse metaller for at danne chromat- og arsenat-oxoanioner eller salte, der kemisk ligner gavnlige mineraler, der er naturligt til stede i vand, herunder fosfat, sulfat, nitrat og bicarbonat. Kromat og arsenat er meget mobile i vand og kan have vidtrækkende virkninger. De nedbrydes ikke og er permanente i miljøet uden indgreb. Målrettede tilgange er nødvendige for at adskille disse metaller fra harmløse mineralsalte, der er afgørende for økosystemet.

Jansone-Popova er en del af en ORNL-gruppe, der er specialiseret i studiet af adsorbenter, materialer, der er designet til at målrette specifikke elementer og binde dem til en overflade. Adsorbenter har en bred anvendelse til at hjælpe med at genvinde ædle metaller eller fjerne forurenende stoffer fra miljøet.

"De er en af ​​de mest lovende vandbehandlingsmuligheder, fordi de er overkommelige, lette at implementere og kan arbejde hurtigt med at filtrere vandforsyninger, men de skal skræddersyes til praktisk brug i oprydningsscenarier," sagde Jansone-Popova. "Udfordringen er at designe materialer, der effektivt kan isolere spormængder af skadelige grundstoffer, der minder meget om de kemiske bulk-arter, der findes i vand."

I adsorbentdesign er selektivitet nøglen. Fordi et materiales overflade tilbyder begrænset fast ejendom, er målet kun at få fat i målrettede elementer og fange så meget som muligt, før adsorbenten fyldes op og skal udskiftes eller genbruges. Dårligt selektive materialer mangler præcisionen til at udskille mål i blandede miljøer, såsom vand, hvor lignende elementer konkurrerer om plads.

Jansone-Popova har tidligere ledet designet af en adsorbent med høj selektivitet for chromat, der arbejder hurtigt og i nærværelse af konkurrerende arter til at dekontaminere vand. En undersøgelse offentliggjort i Environmental Science and Technology viste, at det nye materiale reducerede kromatkoncentrationerne 100 gange inden for et minut (1 ppm til 10 ppm) og opnåede et niveau en størrelsesorden under de tilladte grænser fastsat af U.S. Environmental Protection Agency.

Samarbejdet med Ping Li bygger på tilgangen til at udvikle en ramme til at fange både kromat og arsenat med ét materiale.

"Vores udgangsmateriale er yderst effektivt til at fange krom i sin mest giftige form, hexavalent krom, men tilgangen var ikke designet til at være selektiv for arsen," sagde Li. "Når denne reaktion sker, ændres materialet imidlertid, hvilket skaber en platform for nye kemier."

Forskere ændrede den oprindelige struktur for at reducere indfanget chrom-6 til en mindre giftig tilstand, chrom-3. Chrom-3 har også fordelen ved at give et ankerpunkt til at binde arsenat. Den nye struktur muliggør en kemisk reaktion, der danner stabile kromat-arsenat-klynger, der er stærkt bundet til overfladen. Resultatet fanger effektivt giftstofferne permanent, fordi de ikke vaskes af eller løsnes fra filtermaterialet uden bevidst fjernelse ved kemisk behandling.

"Vi udnyttede den effektive opsamling af hexavalent krom til at introducere en ny arkitektur, der også kunne binde med arsen," sagde Li.

Kromatarsenat, der engang blev brugt som et additiv i trykbehandlet tømmer, gav inspiration til strukturen.

Holdet har patenteret strukturen og arbejder sammen med samarbejdspartnere for at udvide tilgangen til andre miljøforurenende stoffer.

"Grundlæggende opdagelser som disse kan hjælpe os med at reducere giftige forurenende stoffer i miljøet og opfylde regulatoriske mål for rent vand," sagde Jansone-Popova. + Udforsk yderligere

Almindelig rørlegering kan danne kræftfremkaldende kemikalie i drikkevand