Ny proces til at skylle tungmetaller fra jord

Når giftige tungmetaller som bly og cadmium slipper ud fra fabrikker eller miner, de kan forurene den nærliggende jord. Uden nemme måder at fjerne disse forurenende stoffer på, marker skal afspærres for at forhindre, at disse giftstoffer kommer ind i fødekæden, hvor de truer menneskers og dyrs sundhed.

Ifølge Miljøstyrelsen, tungmetaller er fundet tusindvis af steder i hele landet. Mens nogle er blevet ryddet op gennem en kombination af føderale, statslige og private indsatser, der er stadig behov for nye teknologier til at håndtere tungmetalforurening.

Nu har et forskerhold ledet af Stanfords materialeforsker Yi Cui opfundet en måde at vaske tungmetaller fra forurenet jord ved hjælp af en kemisk proces, der er lidt ligesom at brygge kaffe.

Som de beskriver 4. juni i Naturkommunikation , forskerne startede med at skylle forurenet jord med en blanding af vand og et kemikalie, der tiltrækker tungmetaller. Når den blanding perkolerer gennem jorden, kemikaliet trækker tungmetaller løs. Holdmedlemmerne samlede derefter dette giftige bryg og kørte det gennem et elektrokemisk filter, der fangede tungmetallerne ud af vandet. På denne måde rensede de jorden for tungmetaller og genbrugte vand- og kemikalieblandingen til at trænge ned gennem mere forurenet jord.

"Dette er en ny tilgang til jordrensning, " sagde Cui, der er professor i materialevidenskab og teknik og fotonvidenskab. "Vores næste skridt er en pilottest for at sikre, at det, der fungerer i laboratoriet, er praktisk i marken, og for at finde ud af, hvor meget denne proces vil koste."

Indtil nu, hans team har renset jord forurenet med bly og cadmium, to udbredte og farlige toksiner, såvel som med kobber, hvilket kun er farligt i høje koncentrationer. Cui mener, at denne proces med kemisk rensning og elektrokemisk filtrering vil fungere sammen med andre farlige tungmetaller som kviksølv og krom, men yderligere laboratorieforsøg er nødvendige for at påvise det.

Ikke flere offerplanter

Cui sagde, at projektet begyndte for to år siden, da han og kandidatstuderende Jinwei Xu brainstormede om, hvordan man løser det grundlæggende problem:Tungmetaller binder sig til jorden og bliver praktisk talt uløselige. I dag, Cui sagde, oprydning kan involvere at grave forurenet jord op og sekvestrere dem et sted. Landbrugsforskere har også udviklet fytoremedieringsteknikker - dyrkning af offerplanter i forurenet jord for at absorbere tungmetaller, derefter høste disse afgrøder og bringe dem til et udvindings- og bortskaffelsesanlæg. Men fytoremediering kan tage mange år med gentagne høst.

Søger en hurtig, omkostningseffektiv måde at udvinde tungmetaller fra forurenede marker, forskerne prøvede at vaske giftige jordprøver med almindeligt vand. De indså hurtigt, at almindeligt vand ikke kunne bryde den kemiske binding mellem tungmetallerne og jorden. De havde brug for noget tilsætningsstof til at lirke de forurenende stoffer løs. De fandt svaret i et almindeligt kemikalie kendt under initialerne:EDTA.

Set i bakspejlet, EDTA var det oplagte valg, fordi det samme kemikalie bruges til at behandle patienter, der er forgiftet med bly eller kviksølv. Negativt ladet EDTA binder sig så stærkt til positivt ladede tungmetalpartikler, at det trækker bly eller kviksølv fra patientens væv. Forskerne begrundede, at når det er opløst i vand, EDTAs negative kroge ville rive tungmetaller løs fra jord. Eksperimenter bar det ud. Når EDTA-behandlet vand perkolerede gennem forurenet jord, den bar tungmetallerne væk.

Men holdets arbejde var kun halvt udført. Jorden var ren, men det behandlede vand var stadig giftigt. De havde brug for en måde at adskille EDTA fra tungmetallerne i skyllevandet og fange disse toksiner én gang for alle.

Isolering af tungmetaller

Forskerne vidste, at EDTA forblev stærkt negativ, selv efter at den fangede en positivt ladet metalpartikel. Så, forskerne byggede en sigte med de elektriske og kemiske egenskaber til at trække de negativt ladede EDTA og positivt ladede tungmetaller fra hinanden. Resultatet var isolerede tungmetaller og en blanding af vand og EDTA klar til at rense mere jord.

Ud over bly og cadmium, forskerne testede processen på kobber, hvilket kun er farligt i høje koncentrationer. Næste vil Cui gerne køre eksperimentet på andre tungmetaller som kviksølv, som er så giftige, at de kræver særlig håndtering for at beskytte forskerne. Men han synes, at kemien er så god, at han er sikker på succes i laboratoriet. Det større spørgsmål er, om processen kan skaleres op til at behandle tonsvis af forurenet jord. Forskerne har søgt at patentere processen gennem Stanford Office of Technology Licensing og vil gerne finde en mulighed for at køre et pilotprojekt i et forurenet felt.

"Vi har virkelig ingen god afhjælpningsteknologi til tungmetaller, " sagde Cui. "Hvis dette viser sig praktisk i stor skala, vil det være et betydeligt fremskridt."