Fläckar av titandioxid fäster vid polyvinylfibrer i en matta som utvecklats vid det Rice University-ledda NEWT Center för att fånga upp och förstöra föroreningar från avloppsvatten eller dricksvatten. Efter att mattan attraherar och binder föroreningar, titandioxidfotokatalysatorn frigör reaktiva syreämnen som förstör dem. Kredit:Rice University/NEWT
En polymermatta utvecklad vid Rice University har förmågan att fiska biologiskt skadliga föroreningar från vatten genom en strategi som kallas "bete, kroka och förstöra."
Tester med avloppsvatten visade att mattan effektivt kan ta bort riktade föroreningar, i detta fall ett par biologiskt skadliga hormonstörande ämnen, använder en bråkdel av den energi som krävs av annan teknik. Tekniken kan även användas för att behandla dricksvatten.
Mattan har utvecklats av forskare med Rice-led Nanotechnology-Enabled Water Treatment (NEWT) Center. Forskningen är tillgänglig online i tidskriften American Chemical Society Miljövetenskap och teknik .
Mattan beror på förmågan hos ett vanligt material, titandioxid, att fånga upp föroreningar och, vid exponering för ljus, bryt ner dem genom oxidation till ofarliga biprodukter.
Titandioxid används redan i vissa reningssystem för avloppsvatten. Det förvandlas vanligtvis till en slurry, kombineras med avloppsvatten och exponeras för ultraviolett ljus för att förstöra föroreningar. Uppslamningen måste sedan filtreras från vattnet.
NEWT-mattan förenklar processen. Mattan är gjord av spunna polyvinylfibrer. Forskarna gjorde det mycket poröst genom att lägga till små plastpärlor som senare löstes upp med kemikalier. Porerna erbjuder gott om ytarea för titanoxidpartiklar att leva i och vänta på sitt byte.
Mattans hydrofoba (vattenundvikande) fibrer attraherar naturligt hydrofoba föroreningar som de hormonstörande ämnen som används i testerna. Väl bunden till mattan, exponering för ljus aktiverar den fotokatalytiska titandioxiden, som producerar reaktiva syreämnen (ROS) som förstör föroreningarna.
Etablerat av National Science Foundation 2015, NEWT är ett nationellt forskningscenter som syftar till att utveckla kompakta, mobil, vattenreningssystem utanför nätet som kan ge rent vatten till miljontals människor som saknar det och göra amerikansk energiproduktion mer hållbar och kostnadseffektiv.
NEWT-forskare sa att deras matta kan rengöras och återanvändas, skalas till valfri storlek, och dess kemi kan ställas in för olika föroreningar.
"Nuvarande fotokatalytisk behandling lider av två begränsningar, ", sade Rice miljöingenjör och NEWT Center Director Pedro Alvarez. "En är ineffektivitet eftersom de oxidanter som produceras rensas av saker som är mycket rikligare än målföroreningen, så att de inte förstör föroreningen.
Det Rice University-ledda NEWT Center skapade en nanopartikelinfunderad polymermatta som både attraherar och förstör föroreningar i avloppsvatten eller dricksvatten. En matta, övre vänstra, är nedsänkt i vatten med metylenblått som förorening. Föroreningen absorberas sedan uppe till höger av mattan och, på de nedre bilderna, förstörs av exponering för ljus. Mattan är sedan redo för återanvändning. Kredit:Rice University/NEWT
"Andra, det kostar mycket pengar att behålla och separera slurryfotokatalysatorer och förhindra att de läcker ut i det behandlade vattnet, " sa han. "I vissa fall, energikostnaden för att filtrera slurryn är mer än vad som behövs för att driva UV-ljusen.
"Vi löste båda begränsningarna genom att immobilisera katalysatorn för att göra den mycket enkel att återanvända och behålla, " sa Alvarez. "Vi tillåter inte att det läcker ut ur mattan och påverkar vattnet."
Alvarez sa att den porösa polymermattan spelar en viktig roll eftersom den attraherar målföroreningarna. "Det är betet och kroken, " sa han. "Då förstör fotokatalysatorn föroreningen genom att producera hydroxylradikaler."
"Porerna i nanoskala introduceras genom att lösa upp en offerpolymer på de elektrospunna fibrerna, ", sa huvudförfattaren och tidigare postdoktoralforskaren Rice Chang-Gu Lee. "Porerna förbättrar föroreningarnas tillgång till titandioxid."
Experimenten visade en dramatisk energiminskning jämfört med rening av avloppsvatten med flytgödsel.
"Vi förstör inte bara föroreningarna snabbare, men vi minskar också avsevärt vår elektriska energi per reaktionsordning, " Alvarez sa. "Detta är ett mått på hur mycket energi du behöver för att ta bort en storleksordning av föroreningen, hur många kilowattimmar du behöver för att ta bort 90 procent eller 99 procent eller 99,9 procent.
"Vi visar att för slurryn, när du går från att behandla destillerat vatten till avloppsvatten från reningsverk, mängden energi som krävs ökar 11 gånger. Men när du gör detta med vår immobiliserade bete-och-krok-fotokatalysator, den jämförbara ökningen är bara tvåfaldig. Det är en betydande besparing."
Mattan skulle också tillåta reningsverk att utföra föroreningar och destruktion i två diskreta steg, vilket inte är möjligt med slurryn, sa Alvarez. "Det kan vara önskvärt att göra det om vattnet är grumligt och ljusgenomträngning är en utmaning. Man kan fiska upp de föroreningar som absorberas av mattan och överföra den till en annan reaktor med klarare vatten. Där, du kan förstöra föroreningarna, rensa ur mattan och lämna tillbaka den så att den kan fiska mer."
Att justera mattan skulle innebära att dess hydrofoba eller hydrofila egenskaper ändras för att matcha målföroreningar. "På så sätt kan du behandla mer vatten med en mindre reaktor som är mer selektiv, och därför miniatyrisera dessa reaktorer och minska deras koldioxidavtryck, ", sa han. "Det är en möjlighet inte bara att minska energibehovet, men också utrymmeskrav för fotokatalytisk vattenbehandling."
Alvarez sa att samarbete från NEWT:s forskningspartner hjälpte projektet att komma samman på några månader. "NEWT tillät oss att göra något som var för sig skulle ha varit mycket svårt att åstadkomma på den här korta tiden, " han sa.
"Jag tror att mattan avsevärt kommer att förbättra menyn från vilken vi väljer lösningar på våra utmaningar inom vattenrening, sa Alvarez.
