Углеродные нанотрубки, иммобилизованные в пучке кварцевого волокна, обладают способностью удалять токсичные тяжелые металлы из воды, утверждают исследователи из Университета Райса.
Отмеченные наградами фильтры, изготовленные в лаборатории рисового химика Эндрю Бэррона тогдашним старшеклассником и ведущим автором Перри Алагаппаном, поглощают более 99 процентов металлов из образцов, содержащих кадмий, кобальт, медь, ртуть, никель и привести. После насыщения фильтры можно промыть мягким бытовым химикатом, таким как уксус, и использовать повторно.
Исследователи подсчитали, что один грамм материала может очистить 83 000 литров загрязненной воды в соответствии со стандартами Всемирной организации здравоохранения - этого достаточно для удовлетворения ежедневных потребностей 11 000 человек.
Лабораторный анализ новых фильтров опубликован в этом месяце в научных отчетах Nature с открытым доступом.
Надежные фильтры состоят из углеродных нанотрубок, выращенных на кварцевых волокнах, которые затем химически эпоксидируются. Лабораторные испытания показали, что увеличенные версии фильтров из «эпоксидированных углеродных нанотрубок на носителе» (SENT) оказались способными очищать 5 литров воды менее чем за одну минуту и обновляться за 90 секунд. Материал сохранил почти 100 процентов своей способности фильтровать воду до 70 литров на 100 грамм SENT, после чего содержащиеся металлы можно было извлечь для повторного использования или превратить в твердое вещество для безопасной утилизации.
В то время как кварцевая подложка придает фильтру форму, а оболочка из углеродных нанотрубок делает его прочным, они определили, что эпоксидирование с помощью окисляющей кислоты является наиболее ответственным за адсорбцию металла.
Алагаппан, ныне студент бакалавриата Стэнфордского университета, вдохновился на запуск проекта во время поездки в Индию, где он узнал о загрязнении грунтовых вод тоннами электронных отходов - телефонов, компьютеров и тому подобного - что неправильно оказаться на свалках.
«Перри связался со мной, желая получить опыт в лабораторных исследованиях», - сказал Бэррон. «Поскольку у нас был текущий проект, начатый Джессикой Хейманн, студенткой, которая училась на семестр в Бременском университете Джейкобса, это было идеальное совпадение».
Бэррон сказал, что сырье для фильтра недорогое, и отметил, что преобразование уксусной кислоты в уксус повсеместно распространено по всему миру, что должно упростить процесс переработки фильтров для повторного использования даже в отдаленных местах. «Каждая культура на планете знает, как делать уксус», - сказал он.
«Это окажет самое большое социальное влияние на установки деревенского масштаба, которые могли бы очищать воду в отдаленных развивающихся регионах», - сказал Бэррон. «Однако существует также потенциал для увеличения добычи металлов, в частности, из шахтных сточных вод».
Исследование Алагаппана получило ряд наград, когда он еще учился в средней школе в Клир-Лейк, пригороде Хьюстона, а также был приглашенным студентом в лаборатории риса Бэррона. Первым был главный приз в области наук об окружающей среде на Научно-технической ярмарке в Хьюстоне в 2014 году. Это позволило ему принять участие в Международной научно-технической ярмарке Intel в Лос-Анджелесе в следующем году, где он также получил высшую экологическую награду.
Он получил главный приз Стокгольмской водной премии среди юниоров 2015 года, которую ему вручила кронпринцесса Швеции.
«Для меня было огромной честью получить признание на международном уровне за это исследование, и я благодарен за возможность работать над этим проектом вместе с такой талантливой группой людей», - сказал Алагаппан. «Я также особенно ценю возможность встретиться с другими молодыми исследователями на Международной научной ярмарке Intel и Стокгольмской премии за воду для юниоров, которые вдохновили меня своим твердым стремлением поднять общество с помощью науки и технологий."