University of California, Berkeley, kemister har upptäckt ett sätt att förenkla avlägsnandet av giftiga metaller. som kvicksilver och bor. under avsaltning för att producera rent vatten, samtidigt som de potentiellt fångar upp värdefulla metaller, såsom guld.

Avsaltning – avlägsnande av salt – är bara ett steg i processen att producera drickbart vatten, eller vatten för jordbruk eller industri, från hav eller avloppsvatten. Antingen före eller efter avlägsnande av salt, vattnet måste ofta behandlas för att avlägsna bor, som är giftigt för växter, och tungmetaller som arsenik och kvicksilver, som är giftiga för människor. Ofta, processen lämnar efter sig en giftig saltlösning som kan vara svår att göra sig av med.

Den nya tekniken, som enkelt kan läggas till nuvarande membranbaserade elektrodialysavsaltningsprocesser, tar bort nästan 100 % av dessa giftiga metaller, producera en ren saltlösning tillsammans med rent vatten och isolera de värdefulla metallerna för senare användning eller bortskaffande.

"Avsaltnings- eller vattenreningsanläggningar kräver vanligtvis en lång rad höga kostnader, för- och efterbehandlingssystem som allt vatten måste gå igenom, en och en, sade Adam Uliana, en doktorand vid UC Berkeley som är förstaförfattare till en artikel som beskriver tekniken. "Men här, vi har möjlighet att göra flera av dessa steg i ett, vilket är en mer effektiv process. I grund och botten, du kan implementera det i befintliga inställningar."

UC Berkeley-kemisterna syntetiserade flexibla polymermembran, som de som för närvarande används i membranseparationsprocesser, men inbäddade nanopartiklar som kan ställas in för att absorbera specifika metalljoner – guld- eller uranjoner, till exempel. Membranet kan innehålla en enda typ av avstämd nanopartikel, om metallen ska återvinnas, eller flera olika typer, var och en avstämd för att absorbera en annan metall eller jonförening, om flera föroreningar måste avlägsnas i ett steg.

Polymermembranet spätt med nanopartiklar är mycket stabilt i vatten och vid hög värme, vilket inte är sant för många andra typer av absorbatorer, inklusive de flesta metallorganiska ramverk (MOFs), när den är inbäddad i membran.

Forskarna hoppas kunna ställa in nanopartiklarna för att ta bort andra typer av giftiga kemikalier, inklusive en vanlig grundvattenförorening:PFAS, eller polyfluoralkylämnen, som finns i plast. Den nya processen, som de kallar jonfångande elektrodialys, skulle också potentiellt kunna avlägsna radioaktiva isotoper från kärnkraftverksavlopp.

I deras studie, publiceras denna vecka i tidskriften Vetenskap , Uliana och seniorförfattaren Jeffrey Long, UC Berkeley professor i kemi, visa att polymermembranen är mycket effektiva när de ingår i membranbaserade elektrodialyssystem – där en elektrisk spänning driver joner genom membranet för att avlägsna salt och metaller – och diffusionsdialys, som används främst vid kemisk bearbetning.

"Elektrodialys är en känd metod för att göra avsaltning, och här gör vi det på ett sätt som införlivar dessa nya partiklar i membranmaterialet och fångar upp riktade giftiga joner eller neutrala lösta ämnen, som bor, "Sade länge. "Så, medan du driver joner genom detta membran, du sanerar också vattnet för, säga, kvicksilver. Men dessa membran kan också vara mycket selektiva för att ta bort andra metaller, som koppar och järn, med hög kapacitet."

Global vattenbrist kräver återanvändning av avloppsvatten

Vattenbrist börjar bli vanligt runt om i världen, inklusive i Kalifornien och den amerikanska västern, förvärras av klimatförändringar och befolkningstillväxt. Kustsamhällen installerar alltmer anläggningar för att avsalta havsvatten, men samhällen i inlandet, för, letar efter sätt att vända förorenade källor – grundvatten, jordbruksavrinning och industriavfall – till rent, säkert vatten för grödor, hem och fabriker.

Även om omvänd osmos och elektrodialys fungerar bra för att ta bort salt från vattenkällor med hög salthalt, som havsvatten, den kvarlämnade koncentrerade saltlösningen kan ha höga halter av metaller, inklusive kadmium, krom, kvicksilver, leda, koppar, zink, guld och uran.

Men havet blir allt mer förorenat av industri och jordbruksavrinning, och inlandskällor ännu mer.

"Detta skulle vara särskilt användbart för de områden som har låga nivåer av föroreningar som fortfarande är giftiga vid dessa låga nivåer, samt olika avloppsvattenplatser som har massor av typer av giftiga joner i sina bäckar, " sa Long.

De flesta avsaltningsprocesser tar bort salt – som till stor del existerar som natrium- och klorjoner i vatten – med hjälp av ett omvänd osmosmembran, som släpper igenom vatten, men inte joner, eller en jonbytarpolymer, som släpper igenom joner, men inte vatten. Den nya tekniken lägger bara till porösa nanopartiklar, var och en cirka 200 nanometer i diameter, som fångar specifika joner samtidigt som det tillåter natrium, klor och andra laddade molekyler som inte är målinriktade att passera igenom.

Långa designar och studier av porösa material som kan dekoreras med unika molekyler som fångar upp riktade föreningar från vätske- eller gasströmmar:koldioxid från kraftverksutsläpp, till exempel. Nanopartiklarna som används i dessa polymermembran kallas porösa aromatiska ramverk, eller PAF, som är tredimensionella nätverk av kolatomer sammanlänkade av föreningar som består av flera ringformade molekyler - kemiska grupper som kallas aromatiska föreningar. Den inre strukturen är relaterad till den hos en diamant, men med länken mellan kolatomer förlängd av den aromatiska länken för att skapa massor av inre utrymme. Olika molekyler kan fästas på de aromatiska länkarna för att fånga specifika kemikalier.

För att fånga kvicksilver, till exempel, svavelföreningar som kallas tioler, som är kända för att tätt binda kvicksilver, är bifogade. Tillsatta metylerade svavelgrupper möjliggör infångning av koppar, och grupper som innehåller syre och svavel fångar upp järn. De förändrade nanopartiklarna utgör cirka 20 % av membranets vikt, men, eftersom de är mycket porösa, står för cirka 45 % av volymen.

Beräkningar tyder på att ett kilogram av polymermembranet skulle kunna ta bort i princip allt kvicksilver från 35, 000 liter vatten innehållande 5 delar per miljon (ppm) av metallen, innan det kräver regenerering av membranet.

Uliana visade i sina experiment att borsyra, en förening av bor som är giftig för grödor, kan tas bort av dessa membran, dock med diffusionsdialys som förlitar sig på en koncentrationsgradient för att driva kemikalien – som inte är jonisk, som metaller - genom membranet för att fångas av PAF-nanopartiklarna.

"Vi provade olika typer av vatten med hög salthalt, till exempel, grundvatten, industriellt avloppsvatten och även bräckt vatten – och metoden fungerar för var och en av dem, " sade han. "Det verkar vara mångsidigt för olika vattenkällor; det var en av designprinciperna vi ville lägga in i det här."

Uliana visade också att membranen kan återanvändas många gånger - minst 10, men troligtvis mer - utan att förlora sin förmåga att absorbera joniska metaller. Och membran som innehåller PAF:er inställda för att absorbera metaller frigör lätt sina absorberade metaller för infångning och återanvändning.

"Det är en teknik där beroende på vilka giftiga föroreningar du har, du kan anpassa membranet för att hantera den typen av vatten, "Länge till. "Du kan ha problem med bly, säga, i Michigan, eller järn och arsenik i Bangladesh. Så, du riktar membranen för specifika förorenade vattenkällor. Dessa material slår verkligen ner det till ofta omätbara nivåer."