Det tar mycket energi att samla in, rengör och kassera förorenat vatten. Några föroreningar, som arsenik, förekommer i låga koncentrationer, kräver ännu mer energikrävande selektiva borttagningsprocesser.

I ett nytt papper, forskare tar upp detta vatten-energi-förhållande genom att introducera en enhet som kan rena och åtgärda arsenikförorenat vatten i ett enda steg. Med hjälp av specialiserade polymerelektroder, enheten kan minska arsenik i vatten med över 90% samtidigt som den använder ungefär 10 gånger mindre energi än andra metoder.

Resultaten av den nya studien publiceras i tidskriften Avancerade material . Arsenik är ett naturligt förekommande element som kommer in i akviferer, vattendrag och sjöar när vatten reagerar med stenar som innehåller arsenik och anses vara mycket giftigt, sa forskarna. Detta är en global fråga som berör mer än 200 miljoner människor i 70 länder.

Inte alla arsenik är desamma, sa Xiao Su, en professor i kemisk och biomolekylär teknik vid University of Illinois som ledde studien. Den farligaste formen av arsenik, känd som arsenit, är mycket reaktiv med biologiska vävnader, men omvandlas till en mindre giftig form, kallas arsenat, genom en enkel oxidationsreaktion.

"Vi kan ta bort arsenit från vatten med hjälp av absorbenter, specialiserade membran eller avdunstning, men allt detta är mycket energikrävande processer som i slutändan lämnar efter sig mycket giftigt avfall, "Su sa." Genom att ha en enhet som kan fånga arsenit med hög selektivitet och omvandla den till en mindre giftig form, vi kan minska avfallets toxicitet samtidigt som vi renar vattnet. "

Proof-of-concept-enheten fungerar genom att integrera föroreningsseparations- och reaktionsstegen i en enda enhet med en elektrokatalytisk cell-liknande en batterianvändande redoxaktiva polymerer. När det förorenade vattnet kommer in i enheten, den första polymerelektroden fångar selektivt arseniten och skickar den till den andra polymerelektroden, där den avlägsnas från två av sina elektroner - eller oxideras - för att bilda arsenat. Rent vatten lämnar sedan enheten, och arsenatavfallet koncentreras för vidare bortskaffande, Su sa.

"Processen drivs av elektrokemiska reaktioner, så enheten kräver inte mycket elektricitet för att gå och möjliggör återanvändning av elektroderna endast baserat på elektrokemisk potential, "Su sa." Att kombinera separations- och reaktionsstegen till en enhet är ett exempel på vad vi kallar processer intensifiering, som vi anser är ett viktigt tillvägagångssätt för att hantera miljöhänsyn relaterade till energi och vatten - i synnerhet mängden energi som krävs för att rena och åtgärda förorenat vatten. "

Förutom förbättrad hållbarhet och energieffektivitet, detta elektrokemiska tillvägagångssätt har fördelar för fältdistribution, sa forskarna. Användare kan köra enheten med hjälp av solpaneler i områden där el är knappt - som i delar av Bangladesh, ett land där över 60% av befolkningen drabbas av arsenikförorenat vatten, sa forskarna.

Det finns utmaningar att ta itu med innan enheten är redo för verklig implementering. "Vi måste öka stabiliteten hos elektroderna eftersom denna process måste cyklas många gånger under körning, "Sa Su." Vi använder mycket specialiserade, mycket avancerade polymermaterial för elektroderna. Dock, vi måste se till att vi utformar dem för att inte bara vara mycket selektiva för arsenik, men också mycket stabila och robusta så att de inte behöver bytas ut hela tiden. Detta kommer att kräva ytterligare kemisk utveckling för att övervinna. "