Vissa typer av vattenföroreningar, som algblomning och plast som förorenar floder, sjöar, och marina miljöer, ligga i fri sikt. Men andra föroreningar är inte så tydliga, vilket gör deras påverkan potentiellt farligare. Bland dessa osynliga ämnen finns uran. Utlakning till vattenresurser från gruvdrift, kärnavfallsplatser, eller från naturliga underjordiska avlagringar, elementet kan nu hittas rinna ur kranar över hela världen.

Bara i USA, "många områden påverkas av uranföroreningar, inklusive High Plains och Central Valley akviferer, som levererar dricksvatten till 6 miljoner människor, " säger Ahmed Sami Helal, en postdoc vid institutionen för kärnteknik och kärnteknik. Denna förorening utgör en nära och aktuell fara. "Även små koncentrationer är dåliga för människors hälsa, säger Ju Li, Battelle Energy Alliance professor i kärnvetenskap och teknik och professor i materialvetenskap och teknik.

Nu, ett team ledd av Li har tagit fram en mycket effektiv metod för att ta bort uran från dricksvatten. Att applicera en elektrisk laddning på grafenoxidskum, forskarna kan fånga uran i lösning, som fälls ut som en kondenserad fast kristall. Skummet kan återanvändas upp till sju gånger utan att förlora sina elektrokemiska egenskaper. "Inom timmar, vår process kan rena en stor mängd dricksvatten under EPA-gränsen för uran, säger Li.

En artikel som beskriver detta arbete publicerades denna vecka Avancerade material . De två första medförfattarna är Helal och Chao Wang, en postdoc vid MIT under studien, som nu är på School of Materials Science and Engineering vid Tongji University, Shanghai. Forskare från Argonne National Laboratory, Taiwans nationella Chiao Tung University, och Tokyos universitet deltog också i forskningen. Defense Threat Reduction Agency (USA:s försvarsdepartement) finansierade senare skeden av detta arbete.

Inriktar sig på föroreningen

Projektet, lanserades för tre år sedan, började som ett försök att hitta bättre metoder för miljösanering av tungmetaller från gruvplatser. Hittills, saneringsmetoder för sådana metaller som krom, kadmium, arsenik, leda, kvicksilver, radium, och uran har visat sig vara begränsade och dyra. "Dessa tekniker är mycket känsliga för organiska ämnen i vatten, och är dåliga på att separera ut tungmetallföroreningarna, "förklarar Helal." Så de innebär långa driftstider, höga kapitalkostnader, och i slutet av extraktionen, generera mer giftigt slam. "

Till laget, uran verkade vara ett särskilt attraktivt mål. Fälttester från U.S. Geological Service och Environmental Protection Agency (EPA) har avslöjat ohälsosamma nivåer av uran som flyttar in i reservoarer och akviferer från naturliga bergkällor i nordöstra USA, från dammar och gropar som lagrar gamla kärnvapen och bränsle på platser som Hanford, Washington, och från gruvverksamhet i många västerländska stater. Denna typ av föroreningar förekommer också i många andra nationer. Ett alarmerande antal av dessa platser visar urankoncentrationer nära eller över EPA:s rekommenderade tak på 30 delar per miljard (ppb) – en nivå kopplad till njurskador, cancerrisk, och neurobeteendeförändringar hos människor.

Den kritiska utmaningen låg i att hitta en praktisk saneringsprocess som uteslutande var känslig för uran, kan extrahera det från lösning utan att producera giftiga rester. Och medan tidigare forskning visade att elektriskt laddade kolfiber kunde filtrera uran från vatten, resultaten var partiella och oprecisa.

Wang lyckades knäcka dessa problem-baserat på hennes undersökning av beteendet hos grafenskum som används för litium-svavelbatterier. "Den här skumplastens fysiska prestanda var unik på grund av dess förmåga att locka vissa kemiska arter till dess yta, " säger hon. "Jag trodde att liganderna i grafenskum skulle fungera bra med uran."

Enkel, effektiv, och ren

Teamet började arbeta med att omvandla grafenskum till motsvarigheten till en uranmagnet. De lärde sig att genom att skicka en elektrisk laddning genom skummet, klyvning av vatten och frigör väte, de kunde öka det lokala pH-värdet och inducera en kemisk förändring som drog ut uranjoner ur lösningen. Forskarna fann att uranet skulle ympa sig på skummets yta, där det bildade en aldrig tidigare skådad kristallin uranhydroxid. Vid omkastning av den elektriska laddningen, mineralet, som liknar fiskskalor, gled lätt av skummet.

Det tog hundratals försök att få den kemiska sammansättningen och elektrolysen helt rätt. "Vi fortsatte att ändra de funktionella kemikaliegrupperna för att få dem att fungera korrekt, " säger Helal. "Och skummet var från början ganska ömtåligt, tenderar att gå sönder i bitar, så vi behövde göra den starkare och mer hållbar, säger Wang.

Denna uranfiltreringsprocess är enkel, effektiv, och rent, enligt Li:"Varje gång den används, vårt skum kan fånga upp fyra gånger sin egen vikt av uran, och vi kan uppnå en utvinningskapacitet på 4, 000 mg per gram, vilket är en stor förbättring jämfört med andra metoder, " säger han. "Vi har också gjort ett stort genombrott inom återanvändbarhet, eftersom skummet kan gå igenom sju cykler utan att förlora sin extraktionseffektivitet." Grafenskummet fungerar lika bra i havsvatten, där det minskar urankoncentrationerna från 3 delar per miljon till 19,9 ppb, visar att andra joner i saltlösningen inte stör filtreringen.

Teamet tror att det är låg kostnad, effektiv enhet kan bli en ny typ av hemvattenfilter, passar på kranar som de av kommersiella märken. "Några av dessa filter har redan aktivt kol, så vi kanske kan ändra dessa, lägga till lågspänningsel för att filtrera uran, säger Li.

"Uranutvinningen som denna enhet uppnår är mycket imponerande jämfört med befintliga metoder, " säger Ho Jin Ryu, docent i kärn- och kvantteknik vid Korea Advanced Institute of Science and Technology. Ryu, som inte var involverad i forskningen, anser att demonstrationen av grafenskums återanvändbarhet är ett "betydligt framsteg, "och att "tekniken för lokal pH-kontroll för att förbättra uraniumavsättningen kommer att vara effektfull eftersom den vetenskapliga principen kan tillämpas mer generellt på tungmetallutvinning från förorenat vatten."

Forskarna har redan börjat undersöka bredare tillämpningar av deras metod. "Det finns en vetenskap i detta, så att vi kan modifiera våra filter för att vara selektiva för andra tungmetaller som bly, kvicksilver, och kadmium, " säger Li. Han noterar att radium är en annan betydande fara för platser i USA och på andra håll som saknar resurser för pålitlig dricksvatteninfrastruktur.

"I framtiden, istället för ett passivt vattenfilter, vi kan använda ett smart filter som drivs av ren el som aktiverar elektrolytisk verkan, som kan utvinna flera giftiga metaller, tala om när du ska regenerera filtret, och ge dig kvalitetssäkring av vattnet du dricker."