Ingenjörer vid MIT har utvecklat ett nytt tillvägagångssätt för att ta bort bly eller andra tungmetallföroreningar från vatten, i en process som de säger är mycket mer energieffektiv än något annat för närvarande använda system, även om det finns andra under utveckling som kommer nära. I sista hand, den kan användas för att behandla blyförorenad vattenförsörjning på hemnivå, eller för att behandla förorenat vatten från vissa kemiska eller industriella processer.

Det nya systemet är det senaste i en serie ansökningar baserade på de första resultaten för sex år sedan av medlemmar i samma forskargrupp, ursprungligen utvecklad för avsaltning av havsvatten eller bräckt vatten, och senare anpassad för att avlägsna radioaktiva föreningar från kylvattnet i kärnkraftverk. Den nya versionen är den första sådana metoden som kan vara tillämplig för behandling av hushållsvatten, såväl som industriella användningar.

Resultaten publiceras idag i tidskriften Miljövetenskap och teknik -Vatten, i en uppsats av MIT-studenter Huanhuan Tian, Mohammad Alkhadra, och Kameron Conforti, och professor i kemiteknik Martin Bazant.

"Det är notoriskt svårt att ta bort giftig tungmetall som är beständig och finns i många olika vattenkällor, " Alkhadra säger. "Självklart finns det konkurrerande metoder idag som gör den här funktionen, så det är en fråga om vilken metod som kan göra det till lägre kostnad och mer tillförlitligt."

Den största utmaningen med att försöka ta bort bly är att det vanligtvis finns i så små koncentrationer, avsevärt överskrids av andra element eller föreningar. Till exempel, natrium finns vanligtvis i dricksvatten i en koncentration av tiotals delar per miljon, medan bly kan vara mycket giftigt med bara några få delar per miljard. De flesta befintliga processer, såsom omvänd osmos eller destillation, ta bort allt på en gång, Alkhadra förklarar. Detta tar inte bara mycket mer energi än vad som skulle behövas för ett selektivt avlägsnande, men det är kontraproduktivt eftersom små mängder av ämnen som natrium och magnesium faktiskt är avgörande för hälsosamt dricksvatten.

Den nya metoden är att använda en process som kallas chockelektrodialys, där ett elektriskt fält används för att producera en stötvåg inuti ett rör som bär det förorenade vattnet. Stötvågen separerar vätskan i två strömmar, selektivt dra vissa elektriskt laddade atomer, eller joner, mot ena sidan av flödet genom att justera stötvågens egenskaper för att matcha måljonerna, samtidigt som en ström av relativt rent vatten lämnas på andra sidan. Strömmen som innehåller de koncentrerade blyjonerna kan sedan enkelt separeras ut med hjälp av en mekanisk barriär i röret.

I princip, "Detta gör processen mycket billigare, " säger Bazant, "eftersom den elektriska energin som du lägger in för att göra separationen verkligen går efter det högvärdiga målet, som är ledningen. Du slösar inte mycket energi på att ta bort natriumet." Eftersom blyet är närvarande i så låg koncentration, "det är inte mycket ström involverat i att ta bort de jonerna, så det här kan vara ett mycket kostnadseffektivt sätt."

Processen har fortfarande sina begränsningar, eftersom det endast har visats i liten laboratorieskala och vid ganska låga flödeshastigheter. Att skala upp processen för att göra den praktisk för hemmabruk kommer att kräva ytterligare forskning, och större industriell användning kommer att ta ännu längre tid. Men det kan vara praktiskt inom några år för vissa hembaserade system, säger Bazant.

Till exempel, ett hem vars vattenförsörjning är kraftigt förorenad med bly kan ha ett system i källaren som långsamt behandlar en ström av vatten, fylla en tank med blyfritt vatten som ska användas för att dricka och laga mat, samtidigt som det mesta av vattnet lämnas obehandlat för användning som toalettspolning eller vattning av gräsmattan. Sådan användning kan vara lämplig som en tillfällig åtgärd för platser som Flint, Michigan, där vattnet, mestadels förorenad av distributionsrören, kommer att ta många år att sanera genom rörbyten.

Processen kan också anpassas för vissa industriella användningsområden, såsom rengöringsvatten som produceras i gruvdrift eller borrverksamhet, så att det behandlade vattnet säkert kan kasseras eller återanvändas. Och i vissa fall, detta skulle också kunna ge ett sätt att återvinna metaller som förorenar vatten, men som faktiskt kan vara en värdefull produkt om de separeras ut; till exempel, vissa sådana mineraler skulle kunna användas för att bearbeta halvledare eller läkemedel eller andra högteknologiska produkter, säger forskarna.

Direkta jämförelser av ekonomin för ett sådant system kontra befintliga metoder är svårt, Bazant säger, eftersom i filtreringssystem, till exempel, kostnaderna är främst för att byta ut filtermaterial, som snabbt täpps till och blir oanvändbara, I detta system är kostnaderna mestadels för den pågående energitillförseln, som är väldigt liten. Vid denna tidpunkt, chockelektrodialyssystemet har använts i flera veckor, men det är för tidigt att uppskatta den verkliga livslängden för ett sådant system, han säger.

Att utveckla processen till en skalbar kommersiell produkt kommer att ta lite tid, men "vi har visat hur detta kunde göras, ur teknisk synvinkel, " säger Bazant. "Huvudfrågan skulle vara på den ekonomiska sidan, ", tillägger han. Det inkluderar att ta reda på de mest lämpliga applikationerna och utveckla specifika konfigurationer som skulle möta dessa användningsområden. "Vi har en rimlig uppfattning om hur man skalar upp detta. Så det är en fråga om att ha resurserna, "som kan vara en roll för ett nystartat företag snarare än ett akademiskt forskningslabb, han lägger till.

"Jag tycker att det här är ett spännande resultat, " han säger, "eftersom det visar att vi verkligen kan ta itu med den här viktiga tillämpningen" för att rengöra bly från dricksvatten. Till exempel, han säger, det finns platser nu som utför avsaltning av havsvatten med omvänd osmos, men de måste köra denna dyra process två gånger i rad, först att få ut saltet, och sedan igen för att ta bort de låga men mycket giftiga föroreningarna som bly. Denna nya process kan användas istället för den andra omgången av omvänd osmos, till en mycket lägre energiförbrukning.

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.