Полимерный мат, разработанный в Университете Райса, способен вылавливать из воды биологически вредные загрязнители с помощью стратегии, известной как «наживка, крючок и уничтожение».
Испытания со сточными водами показали, что коврик может эффективно удалять целевые загрязняющие вещества, в данном случае пару биологически вредных эндокринных разрушителей, используя часть энергии, необходимой для других технологий. Этот метод также можно использовать для очистки питьевой воды.
Коврик был разработан учеными из Центра очистки воды с использованием нанотехнологий (NEWT) под руководством Райса. Исследование доступно в Интернете в журнале Американского химического общества «Environmental Science and Technology».
Коврик зависит от способности обычного материала, диоксида титана, улавливать загрязняющие вещества и под воздействием света разлагать их путем окисления в безвредные побочные продукты.
Диоксид титана уже используется в некоторых системах очистки сточных вод. Обычно его превращают в суспензию, смешивают со сточными водами и подвергают воздействию ультрафиолетового света для уничтожения загрязняющих веществ. Затем суспензию необходимо отфильтровать от воды.
Коврик NEWT упрощает процесс. Коврик изготовлен из скрученных поливиниловых волокон. Исследователи сделали его очень пористым, добавив маленькие пластиковые шарики, которые позже были растворены с помощью химикатов. Поры обеспечивают достаточную площадь поверхности для частиц оксида титана, где они обитают и ждут своей добычи.
Гидрофобные (отталкивающие воду) волокна мата естественным образом притягивают гидрофобные загрязнители, такие как эндокринные разрушители, использованные в тестах. После прикрепления к коврику воздействие света активирует фотокаталитический диоксид титана, который производит активные формы кислорода (АФК), разрушающие загрязняющие вещества.
Учрежденный Национальным научным фондом в 2015 году, NEWT является национальным исследовательским центром, целью которого является разработка компактных, мобильных автономных систем очистки воды, которые могут обеспечить чистой водой миллионы людей, которые в ней нуждаются, и сделать США производство энергии более устойчиво и рентабельно.
Исследователи NEWT заявили, что их коврик можно чистить и использовать повторно, масштабировать до любого размера, а его химический состав можно настроить для различных загрязняющих веществ.
«Существующая фотокаталитическая обработка имеет два недостатка», - сказал инженер-эколог Райс и директор центра NEWT Педро Альварес. «Одним из них является неэффективность, потому что произведенные окислители поглощаются вещами, которых гораздо больше, чем целевого загрязнителя, поэтому они не уничтожают загрязнитель.
«Во-вторых, сохранение и разделение шламовых фотокатализаторов и предотвращение их утечки в очищенную воду стоит больших денег», - сказал он. «В некоторых случаях затраты энергии на фильтрацию этой суспензии превышают то, что необходимо для питания ультрафиолетовых ламп.
«Мы устранили оба ограничения, обездвижив катализатор, чтобы упростить его повторное использование и хранение», - сказал Альварес. «Мы не позволяем ему вымываться из мата и воздействовать на воду».
Альварес сказал, что пористый полимерный мат играет важную роль, потому что он притягивает целевые загрязняющие вещества. «Это наживка и крючок», - сказал он. «Затем фотокатализатор разрушает загрязнитель, производя гидроксильные радикалы».
«Наноразмерные поры образуются путем растворения расходуемого полимера на электропряденых волокнах», - сказал ведущий автор и бывший научный сотрудник Райс Чанг-Гу Ли. «Поры улучшают доступ загрязнений к диоксиду титана».
Эксперименты показали существенное снижение потребления энергии по сравнению с очисткой сточных вод с помощью шлама.
«Мы не только быстрее уничтожаем загрязняющие вещества, но и значительно уменьшаем нашу электрическую энергию на порядок реакции», - сказал Альварес. «Это мера того, сколько энергии вам нужно, чтобы удалить один порядок загрязнителя, сколько киловатт-часов вам нужно, чтобы удалить 90 процентов, 99 процентов или 99,9 процента.
"Мы показываем, что для навозной жижи, когда вы переходите от очистки дистиллированной воды к стокам очистных сооружений, количество необходимой энергии увеличивается в 11 раз. Но когда вы делаете это с нашим иммобилизованным фотокатализатором на основе наживки, сопоставимый прирост всего в два раза. Это существенная экономия."
Коврик также позволит очистным сооружениям выполнять удаление и уничтожение загрязняющих веществ в два отдельных этапа, что невозможно с навозной жижей, сказал Альварес. «Это может быть желательно, если вода мутная и проникновение света затруднено. Вы можете выловить загрязняющие вещества, адсорбированные матом, и перенести их в другой реактор с более чистой водой. Там вы можете уничтожить загрязняющие вещества, очистить коврик, а затем вернуть его, чтобы он мог ловить больше."
Настройка мата будет включать изменение его гидрофобных или гидрофильных свойств в соответствии с целевыми загрязняющими веществами. «Таким образом, вы можете обрабатывать больше воды с помощью реактора меньшего размера, который является более избирательным, и, следовательно, миниатюризировать эти реакторы и уменьшить их углеродный след», - сказал он. «Это возможность не только снизить потребность в энергии, но и сократить пространство для фотокаталитической обработки воды».
Альварес сказал, что сотрудничество с партнерами по исследованиям NEWT помогло проекту собраться за несколько месяцев. «NEWT позволил нам сделать то, что по отдельности было бы очень сложно сделать за такой короткий промежуток времени», - сказал он.
«Я думаю, что коврик значительно расширит меню, из которого мы выбираем решения для наших задач по очистке воды», - сказал Альварес.