När det gäller att ta bort mycket utspädda koncentrationer av föroreningar från vatten, befintliga separationsmetoder tenderar att vara energi- och kemikrävande. Nu, en ny metod utvecklad vid MIT skulle kunna ge ett selektivt alternativ för att ta bort även extremt låga halter av oönskade föreningar.

Det nya tillvägagångssättet beskrivs i tidskriften Energi- och miljövetenskap , i en artikel av MIT postdoc Xiao Su, Ralph Landau professor i kemiteknik T. Alan Hatton, och fem andra vid MIT och vid Darmstadts tekniska universitet i Tyskland.

Systemet använder en ny metod, förlitar sig på en elektrokemisk process för att selektivt ta bort organiska föroreningar såsom bekämpningsmedel, kemiska avfallsprodukter, och läkemedel, även när dessa finns i små men farliga koncentrationer. Tillvägagångssättet tar också upp viktiga begränsningar för konventionella elektrokemiska separationsmetoder, såsom surhetsfluktuationer och prestationsförluster som kan hända till följd av konkurrerande ytreaktioner.

Nuvarande system för att hantera sådana utspädda föroreningar inkluderar membranfiltrering, som är dyrt och har begränsad effektivitet vid låga koncentrationer, och elektrodialys och kapacitiv avjonisering, som ofta kräver höga spänningar som tenderar att producera sidreaktioner, säger Su. Dessa processer hämmas också av överskott av bakgrundssalter.

I det nya systemet, vattnet rinner mellan kemiskt behandlade, eller "funktionaliserad, " ytor som fungerar som positiva och negativa elektroder. Dessa elektrodytor är belagda med vad som kallas Faradaic-material, som kan genomgå reaktioner för att bli positivt eller negativt laddade. Dessa aktiva grupper kan ställas in för att binda starkt till en specifik typ av förorenande molekyl, som teamet visade att de använde ibuprofen och olika bekämpningsmedel. Forskarna fann att denna process effektivt kan ta bort sådana molekyler även i delar per miljon koncentrationer.

Tidigare studier har vanligtvis fokuserat på ledande elektroder, eller funktionaliserade plattor på bara en elektrod, men dessa når ofta höga spänningar som producerar förorenande föreningar. Genom att använda lämpligt funktionaliserade elektroder på både positiva och negativa sidor, i en asymmetrisk konfiguration, forskarna eliminerade nästan helt dessa bireaktioner. Också, dessa asymmetriska system möjliggör samtidigt selektivt avlägsnande av både positiva och negativa toxiska joner samtidigt, som teamet visade med herbiciderna paraquat och quinklorac.

Samma selektiva process bör också tillämpas för återvinning av högvärdiga föreningar i en kemisk eller farmaceutisk produktionsanläggning, där de annars skulle kunna gå till spillo, Su säger. "Systemet kan användas för miljösanering, för borttagning av giftiga organiska kemikalier, eller i en kemisk fabrik för att återvinna förädlade produkter, eftersom de alla skulle förlita sig på samma princip för att dra ut minoritetsjonen från ett komplext multi-jonsystem. "

Systemet är till sin natur mycket selektivt, men i praktiken skulle den troligen utformas med flera steg för att hantera en mängd olika föreningar i sekvens, beroende på den exakta tillämpningen, säger Su. "Sådana system kan i slutändan vara användbara, "föreslår han, "för vattenreningssystem för avlägsna områden i utvecklingsländerna, där föroreningar från bekämpningsmedel, färgämnen, och andra kemikalier är ofta ett problem i vattenförsörjningen. Den högeffektiva, elektriskt drivna system kan drivas på ström från solpaneler på landsbygden till exempel."

Till skillnad från membranbaserade system som kräver höga tryck, och andra elektrokemiska system som arbetar vid höga spänningar, det nya systemet fungerar vid relativt godartade lågspänningar och tryck, säger Hatton. Och, han påpekar, i motsats till konventionella jonbytessystem där frisättning av de infångade föreningarna och regenerering av adsorbenterna skulle kräva tillsats av kemikalier, "i vårt fall kan du bara vända en strömbrytare" för att uppnå samma resultat genom att byta polaritet på elektroderna.

Forskargruppen har redan tilldelats en rad utmärkelser för den pågående utvecklingen av vattenreningsteknik, inklusive bidrag från tävlingarna J-WAFS Solutions och Massachusetts Clean Energy Catalyst, och forskarna var de bästa vinnarna förra årets MIT Water Innovation Prize. Forskarna har ansökt om patent på den nya processen. "Vi vill definitivt implementera detta i den verkliga världen, "Säger Hatton. Under tiden, de arbetar med att skala upp sina prototypenheter i labbet och förbättra den kemiska robustheten.

Denna teknik "är mycket betydelsefull, eftersom det utökar möjligheterna för elektrokemiska system från i princip icke -selektiva till mycket selektivt avlägsnande av viktiga föroreningar, säger Matthew Suss, biträdande professor i maskinteknik vid Technion Institute of Technology i Israel, som inte var involverad i detta arbete. "Som med många nya tekniker för vattenrening, den måste fortfarande testas under verkliga förhållanden och under långa perioder för att kontrollera hållbarheten. Dock, prototypsystemet uppnådde över 500 cykler, vilket är ett mycket lovande resultat. "

Dessa forskare "har systematiskt utforskat en mängd olika enhetskonfigurationer och en mängd olika föroreningar, " säger Kyle Smith, en professor i mekanisk vetenskap och teknik vid University of Illinois, som inte heller var involverad i detta arbete. "I processen har de identifierat allmänna designprinciper för att uppnå selektivt avlägsnande av föroreningar. I detta avseende, Jag tycker att Hatton och medarbetares studie är mycket noggrann och genomtänkt. Det ger en ram eller ett paradigm för andra forskare att efterlikna. "Men, han lägger till, "En betydande utmaning som kvarstår är uppskalningen av dessa teknologier."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.