Forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory tar sig an en global vattenutmaning med ett unikt material som är utformat för att inte inrikta sig på en utan två giftiga tungmetallföroreningar för samtidigt avlägsnande.

ORNL:s Santa Jansone-Popova från Chemical Sciences Division och Ping Li, nu på Elementis Global, har upptäckt en adsorbent med hög selektivitet för krom och arsenik under verkliga förhållanden där vattenresurser innehåller många kemiskt liknande grundämnen.

Resultat publicerade i Small visade att det nya materialet fångar krom och arsenik i ett balanserat 2-till-1-förhållande. Det grundläggande framsteg skapar synergi mellan krom- och arsenikfångst så att ju mer krom materialet griper, desto mer arsenik kan det också ta bort.

"Det är sällsynt att en adsorbent fångar upp två föroreningar samtidigt och arbetar snabbt och effektivt i realistiska scenarier för att hantera det breda utbudet av vattenförhållanden över hela världen", sa Jansone-Popova.

Krom och arsenik är två av de farligaste föroreningarna som finns i dricksvatten världen över. Båda är giftiga och kan orsaka negativa hälsoeffekter, inklusive cancer. Även låga nivåer utgör betydande risker för levande organismer eftersom doser bioackumuleras, eller byggs upp vid varje exponering, och gradvis kan nå skadliga mängder. Dessa element förekommer naturligt, men deras närvaro i miljön har ökat med industri och urbanisering som biprodukter av bred gruvdrift, produktion och tillverkning. Frigör påverkan på luft, jord och vatten, men dricksvatten är den vanligaste exponeringsvägen.

I vatten löses dessa metaller för att bilda kromat- och arsenatoxoanjoner, eller salter, som kemiskt liknar nyttiga mineraler som finns naturligt i vatten, inklusive fosfat, sulfat, nitrat och bikarbonat. Kromat och arsenat är mycket rörliga i vatten och kan ha långtgående effekter. De bryts inte ned och är permanenta i miljön utan ingrepp. Riktade tillvägagångssätt behövs för att separera dessa metaller från ofarliga mineralsalter som är avgörande för ekosystemet.

Jansone-Popova är en del av en ORNL-grupp som specialiserat sig på studier av adsorbenter, material som är designade för att rikta in sig på specifika element och binda dem till en yta. Adsorbenter har breda tillämpningar för att hjälpa till att återvinna ädelmetaller eller ta bort föroreningar från miljön.

"De är ett av de mest lovande vattenbehandlingsalternativen eftersom de är prisvärda, lätta att installera och kan arbeta snabbt för att filtrera vattenförsörjning, men de måste skräddarsys för praktisk användning i saneringsscenarier," sa Jansone-Popova. "Utmaningen är att designa material som effektivt kan isolera spårmängder av skadliga grundämnen som är mycket lika de kemiska bulkarna som finns i vatten."

I adsorbentdesign är selektivitet nyckeln. Eftersom ett materials yta erbjuder begränsad egendom, är målet att bara fånga riktade element och fånga så mycket som möjligt innan adsorbenten fylls upp och behöver bytas ut eller återvinnas. Dåligt selektiva material saknar precisionen för att peka ut mål i blandade miljöer, som vatten, där liknande element konkurrerar om utrymmet.

Jansone-Popova ledde tidigare designen av en adsorbent med hög selektivitet för kromat som arbetar snabbt och i närvaro av konkurrerande arter för att dekontaminera vatten. En studie publicerad i Environmental Science and Technology visade att det nya materialet minskade kromatkoncentrationerna 100 gånger inom en minut (1 del per miljon till 10 delar per miljard) och uppnådde en nivå en storleksordning under tillåtna gränser som fastställts av U.S. Environmental Protection Agency.

Samarbetet med Ping Li bygger på tillvägagångssättet att utveckla ett ramverk för att fånga både kromat och arsenat med ett material.

"Vårt utgångsmaterial är mycket effektivt för att fånga krom i dess mest giftiga form, sexvärt krom, men tillvägagångssättet var inte utformat för att vara selektivt för arsenik," sa Li. "När denna reaktion inträffar förändras dock materialet, vilket skapar en plattform för nya kemier."

Forskare modifierade den ursprungliga strukturen för att reducera infångat krom-6 till ett mindre giftigt tillstånd, krom-3. Krom-3 har också fördelen att tillhandahålla en ankarpunkt för att binda arsenat. Den nya strukturen möjliggör en kemisk reaktion som bildar stabila kromat-arsenatkluster som är starkt bundna till ytan. Resultatet fångar effektivt gifterna permanent eftersom de inte kommer att tvättas bort eller lossna från filtermaterialet utan avsiktligt avlägsnande genom kemisk bearbetning.

"Vi utnyttjade den effektiva infångningen av sexvärt krom för att introducera en ny arkitektur som också kunde binda med arsenik," sa Li.

Kromatarsenat, som en gång användes som tillsats i tryckbehandlat virke, gav inspiration till strukturen.

Teamet har patenterat strukturen och arbetar med samarbetspartners för att utöka tillvägagångssättet till andra miljöföroreningar.

"Grundläggande upptäckter som dessa kan hjälpa oss att minska giftiga föroreningar i miljön och uppfylla regulatoriska mål för rent vatten," sa Jansone-Popova. + Utforska vidare

Vanlig rörlegering kan bilda cancerframkallande kemikalier i dricksvatten