Ingenjörer vid Rice University's Nanotechnology Enabled Water Treatment (NEWT) Center har hittat en katalysator som rengör giftiga nitrater från dricksvatten genom att omvandla dem till luft och vatten.

Forskningen är tillgänglig online i American Chemical Society journal ACS -katalys .

"Nitrater kommer huvudsakligen från jordbruksavrinning, som påverkar jordbrukssamhällen över hela världen, "sade Rice kemiska ingenjör Michael Wong, ledande forskare på studien. "Nitrater är både ett miljöproblem och ett hälsoproblem eftersom de är giftiga. Det finns jonbytarfilter som kan ta bort dem från vatten, men dessa måste spolas med några månaders mellanrum för att återanvända dem, och när det händer, det spolade vattnet ger bara tillbaka en koncentrerad dos nitrater direkt till vattentillförseln. "

Wongs laboratorium specialiserar sig på att utveckla nanopartikelbaserade katalysatorer, submikroskopiska metallbitar som påskyndar kemiska reaktioner. Under 2013, hans grupp visade att små guldkulor prickade med fläckar av palladium kunde bryta isär nitrit, de mer giftiga kemiska kusinerna till nitrater.

"Nitrater är molekyler som har en kväveatom och tre syreatomer, "Wong förklarade." Nitrater förvandlas till nitriter om de förlorar ett syre, men nitrit är ännu giftigare än nitrater, så du vill inte sluta med nitrit. Dessutom, nitrat är det vanligaste problemet.

"I sista hand, det bästa sättet att avlägsna nitrater är en katalytisk process som bryter dem helt till kväve och syre, eller i vårt fall, kväve och vatten eftersom vi tillsätter lite väte, "sa han." Mer än 75 procent av jordens atmosfär är gasformigt kväve, så vi förvandlar verkligen nitrater till luft och vatten. "

Nitrater är giftiga för spädbarn och gravida kvinnor och kan också vara cancerframkallande. Nitratföroreningar är vanliga i jordbrukssamhällen, särskilt i U.S. Corn Belt och Kaliforniens Central Valley, där gödselmedel används mycket, och vissa studier har visat att nitratföroreningar ökar på grund av förändrade markanvändningsmönster.

Både nitrater och nitrit regleras av Environmental Protection Agency, som sätter tillåtna gränser för säkert dricksvatten. I samhällen med förorenade brunnar och sjöar, det betyder vanligtvis förbehandling av dricksvatten med jonbyteshartser som fäller och tar bort nitrater och nitrit utan att förstöra dem.

Från deras tidigare arbete, Wongs team visste att guld-palladium-nanopartiklar inte var bra katalysatorer för att bryta isär nitrater. Medförfattare Kim Heck, en forskare i Wongs lab, sade en sökning i publicerad vetenskaplig litteratur visade en annan möjlighet:indium och palladium.

"Vi kunde optimera det, och vi fann att täckning av cirka 40 procent av en palladiumkulans yta med indium gav oss vår mest aktiva katalysator, "Heck sa." Det var cirka 50 procent mer effektivt än någonting annat vi hittade i tidigare publicerade studier. Vi kunde ha stannat där, men vi var verkligen intresserade av att förstå varför det var bättre, och för det var vi tvungna att utforska kemin bakom denna reaktion. "

I samarbete med kemiteknikerkollegorna Jeffrey Miller från Purdue University och Lars Grabow från University of Houston, Rice -teamet fann att indium påskyndar nedbrytningen av nitrater medan palladium tydligen hindrar indium från att oxideras permanent.

"Indium gillar att oxideras, "Heck sa." Från våra in situ -studier, vi fann att exponering av katalysatorerna för lösningar innehållande nitrat fick indium att oxideras. Men när vi tillsatte vätemättat vatten, palladium fick en del av det syret att binda till vätet och bilda vatten, och det resulterade i att indium förblev i ett reducerat tillstånd där det är fritt att bryta isär fler nitrater. "

Wong sa att hans team kommer att arbeta med industriella partners och andra forskare för att förvandla processen till ett kommersiellt gångbart vattenreningssystem.

"Det är där NEWT kommer in, "sa han." NEWT handlar om att ta grundläggande vetenskapliga upptäckter och få dem att distribueras under verkliga förhållanden. Detta kommer att vara ett exempel inom NEWT där vi har kommit fram till kemin, och nästa steg är att skapa ett flödessystem för att visa bevis på att tekniken kan användas i fältet. "

NEWT är ett multinstitutionellt teknikforskningscenter baserat på Rice som grundades av National Science Foundation 2015 för att utveckla kompakta, mobil, off-grid vattenbehandlingssystem som kan ge rent vatten till miljontals människor och göra USA:s energiproduktion mer hållbar och kostnadseffektiv. NEWT förväntas utnyttja mer än 40 miljoner dollar i federalt och industriellt stöd till 2025 och är inriktat på ansökningar om humanitärt nödhjälp, landsbygdens vattensystem och avloppsrening och återanvändning på avlägsna platser, inklusive borrplattformar både på land och till havs för prospektering av olja och gas.