Калифорнийский университет в Беркли, химики открыли способ упростить удаление токсичных металлов. как ртуть и бор. во время опреснения для получения чистой воды, в то же время потенциально улавливая ценные металлы, такие как золото.
Опреснение - удаление соли - это только один шаг в процессе производства питьевой воды или воды для сельского хозяйства или промышленности из океана или сточных вод. Либо до, либо после удаления соли воду часто приходится очищать от бора, который токсичен для растений, и тяжелых металлов, таких как мышьяк и ртуть, которые токсичны для человека. Часто в процессе остается токсичный рассол, от которого трудно избавиться.
Новая технология, которую можно легко добавить к текущим процессам электродиализного опреснения на основе мембран, удаляет почти 100% этих токсичных металлов, производя чистый рассол вместе с чистой водой и выделяя ценные металлы для последующего использования или утилизации..
«Установки для опреснения или водоподготовки обычно требуют длинного ряда дорогостоящих систем предварительной и последующей обработки, через которые вся вода должна пройти одну за другой», - сказал Адам Улиана, выпускник Калифорнийского университета в Беркли. студент, который является первым автором статьи, описывающей технологию. «Но здесь у нас есть возможность выполнить несколько из этих шагов одновременно, что является более эффективным процессом. По сути, вы можете реализовать его в существующих установках."
Химики Калифорнийского университета в Беркли синтезировали гибкие полимерные мембраны, подобные тем, которые в настоящее время используются в процессах мембранного разделения, но со встроенными наночастицами, которые можно настроить для поглощения ионов определенных металлов, например ионов золота или урана. Мембрана может включать в себя один тип настроенных наночастиц, если металл необходимо восстановить, или несколько различных типов, каждый из которых настроен на поглощение определенного металла или ионного соединения, если необходимо удалить несколько загрязнителей за один шаг.
Полимерная мембрана с добавлением наночастиц очень стабильна в воде и при высоких температурах, чего нельзя сказать о многих других типах поглотителей, включая большинство металлоорганических каркасов (MOF), при внедрении в мембраны.
Исследователи надеются, что смогут настроить наночастицы для удаления других типов токсичных химических веществ, в том числе распространенного загрязнителя грунтовых вод: PFAS или полифторалкильных веществ, которые содержатся в пластмассах. Новый процесс, который они называют электродиализом с захватом ионов, также потенциально может удалять радиоактивные изотопы из стоков атомных электростанций.
В своем исследовании, которое будет опубликовано на этой неделе в журнале Science, Ульяна и старший автор Джеффри Лонг, профессор химии Калифорнийского университета в Беркли, демонстрируют, что полимерные мембраны очень эффективны при включении в мембранные электродиализные системы, где электрическое напряжение пропускает ионы через мембрану для удаления соли и металлов, а также для диффузионного диализа, который используется в первую очередь в химической обработке.
«Электродиализ - это известный метод опреснения, и здесь мы делаем это таким образом, чтобы эти новые частицы включались в материал мембраны и улавливались целевые токсичные ионы или нейтральные растворенные вещества, такие как бор», - сказал Лонг. «Итак, пока вы пропускаете ионы через эту мембрану, вы также обеззараживаете воду, скажем, от ртути. Но эти мембраны также могут быть высокоселективными для удаления других металлов, таких как медь и железо, с высокой производительностью».
Глобальная нехватка воды требует повторного использования сточных вод
Нехватка воды становится обычным явлением во всем мире, в том числе в Калифорнии и на американском Западе, что усугубляется изменением климата и ростом населения. Прибрежные сообщества все чаще устанавливают установки для опреснения океанской воды, но жители внутренних районов также ищут способы превратить загрязненные источники - грунтовые воды, сельскохозяйственные стоки и промышленные отходы - в чистую, безопасную воду для сельскохозяйственных культур, домов и заводов.
В то время как обратный осмос и электродиализ хорошо подходят для удаления солей из источников воды с высоким содержанием соли, таких как морская вода, оставшийся концентрированный рассол может содержать большое количество металлов, включая кадмий, хром, ртуть, свинец, медь, цинк, золото и уран.
Но океан все больше загрязняется промышленными и сельскохозяйственными стоками, а тем более внутренними источниками.
«Это было бы особенно полезно для тех районов с низким уровнем загрязняющих веществ, которые все еще токсичны при этих низких уровнях, а также для различных объектов сточных вод, в потоках которых содержится много типов токсичных ионов», - сказал Лонг..
Большинство процессов опреснения удаляют соль, которая существует в основном в виде ионов натрия и хлора в воде, используя мембрану обратного осмоса, которая пропускает воду, но не ионы, или ионообменный полимер, который пропускает ионы, но не пропускает ионы. вода. Новая технология просто добавляет пористые наночастицы, каждая диаметром около 200 нанометров, которые улавливают определенные ионы, пропуская при этом натрий, хлор и другие нецелевые заряженные молекулы..
Лонг разрабатывает и изучает пористые материалы, которые можно декорировать уникальными молекулами, улавливающими целевые соединения из жидких или газовых потоков: например, двуокись углерода из выбросов электростанций. Наночастицы, используемые в этих полимерных мембранах, называются пористыми ароматическими каркасами, или PAF, которые представляют собой трехмерные сети атомов углерода, связанные соединениями, состоящими из нескольких кольцеобразных молекул - химических групп, называемых ароматическими соединениями. Внутренняя структура похожа на структуру алмаза, но связь между атомами углерода удлиняется за счет ароматического линкера, что создает много внутреннего пространства. Различные молекулы могут быть присоединены к ароматическим линкерам для захвата определенных химических веществ.
Для улавливания ртути, например, присоединяются соединения серы, называемые тиолами, которые, как известно, прочно связывают ртуть. Добавленные группы метилированной серы позволяют захватывать медь, а группы, содержащие кислород и серу, захватывать железо. Измененные наночастицы составляют около 20% веса мембраны, но, поскольку они очень пористые, составляют около 45% объема.
Расчеты показывают, что килограмм полимерной мембраны может удалить практически всю ртуть из 35 000 литров воды, содержащей 5 частей на миллион (ppm) металла, прежде чем потребуется регенерация мембраны.
Ульяна показал в своих экспериментах, что борная кислота, соединение бора, токсичное для сельскохозяйственных культур, может быть удалена этими мембранами, хотя и с помощью диффузионного диализа, который основан на градиенте концентрации для управления химическим веществом, которое не является ионным., как и металлы - через мембрану захватываются наночастицами ФАТ.
«Мы пробовали разные типы воды с высокой минерализацией - например, грунтовые воды, промышленные сточные воды, а также солоноватые воды - и метод работает для каждого из них», - сказал он. «Кажется, он универсален для разных источников воды; это был один из принципов дизайна, который мы хотели заложить в него».
Ульяна также продемонстрировала, что мембраны можно использовать повторно много раз - не менее 10, но, скорее всего, и больше - без потери их способности поглощать ионные металлы. А мембраны, содержащие PAF, настроенные на поглощение металлов, легко высвобождают поглощенные металлы для захвата и повторного использования.
«Это технология, при которой, в зависимости от ваших токсичных примесей, вы можете настроить мембрану для работы с этим типом воды», - добавил Лонг. «У вас могут быть проблемы со свинцом, скажем, в Мичигане, или с железом и мышьяком в Бангладеш. Итак, вы выбираете мембраны для конкретных источников загрязненной воды. Эти материалы действительно сбивают его до зачастую неизмеримого уровня."