Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain
Platinum har satt en ny "guldstandard" inom smycken, och nu är det på väg att uppgradera kvaliteten på ditt vatten.
Eftersom rening av avloppsvatten för återanvändning av drickbart – drickbart – blir ett mer lönsamt och populärt alternativ för att komma till rätta med vattenbrist, väcker frågan om vilka skadliga biprodukter som kan bildas vid rening och hur man åtgärdar dem. En grupp av dessa kemikalier, aldehyder, är kända för att envist kvarstå genom behandling. Giftiga för människor kommer aldehyder att stå överst på listan över reglerade biprodukter i kommande återanvändningsförordningar, tror USC-forskare, och kräver att hållbar metodik tas bort från vårt dricksvatten.
I forskning publicerad i Environmental Science &Technology , USC Viterbi School of Engineering-forskare introducerar platina för att hjälpa till att rensa även de mest envisa toxiner från avloppsvatten. Platina, samma metall som används i katalysatorer för att rensa upp luftföroreningar i bilavgaser, kan fungera som en katalysator, säger Dan McCurry, biträdande professor i civil- och miljöteknik, och påskyndar oxidationen för att omvandla en gång giftiga aldehyder till ofarliga karboxylsyror.
När avloppsvatten återvinns, sa McCurry, är det resulterande vattnet "mycket rent, men inte 100 procent rent. Det finns fortfarande en liten mängd organiskt kol som kan detekteras och dessa kolatomer kan fästas vid molekyler som är mycket giftiga eller helt oskyldiga." Detta har förbryllat människor i flera år, sade han, särskilt för att kolet kan ta sig igenom så många behandlingsskikt och barriärer.
En studie utförd av UC Berkeley-forskaren David Sedlak avslöjade att "en tredjedel till hälften" av dessa molekyler finns i form av aldehyder, sa McCurry. Aldehyder är kemiska föreningar som kännetecknas av en kolatom som delar en dubbelbindning med en syreatom, en enkelbindning med en väteatom och en enkelbindning med en annan atom eller grupp av atomer. De är också i allmänhet giftiga för människor, vilket innebär att deras långvariga konsumtion kan resultera i en mängd olika kroniska och livshotande sjukdomar som cancer.
Katalytisk oxidation av organiska föroreningar i vatten, utan elektrokemi, tillsats av elektronaccepterande oxiderande kemikalier eller fotokemi, har hittills inte bevisats på ett hållbart sätt, sa McCurry. Tills nu.
En lösning på ett kommande problem
McCurry mindes att han lärde sig om oxidanter som användes för att syntetisera molekyler i en kurs i organisk kemi som han tog när han var doktorand vid Stanford University. "TA gick igenom en lista över oxidanter som används av syntetiska kemister och platinakatalysatorer fångade mitt öga. Inte bara är det en av de få oxidanter som är giftfria, utan den kan använda syret i vatten för att katalysera en reaktion abiotiskt ( utan användning av mikrober)."
"Det var verkligen spännande för mig", sa McCurry, "eftersom det alltid har varit frustrerande vid vattenbehandling att vattnet är fullt av syre, men det gör egentligen ingenting."
Det finns cirka åtta milligram per liter löst syre i vatten, sa McCurry. Även om det är en potent oxidant ur ett termodynamiskt perspektiv, sa McCurry, är reaktionen långsam. Med platina går processen snabbare. Ett tag använde McCurry och hans team av forskare platina för att oxidera olika läkemedel som en fråga om experiment.
"Vi visste att vi kunde oxidera vissa saker, men vi hade inte en tydlig tillämpning i åtanke för denna katalysator," sa McCurry. I slutändan var deras förhoppning att hitta en effektfull tillämpning för deras arbete. Så småningom, efter ett års experimenterande, kom idén till honom när han cyklade hem från Stanfords campus. "Tänk om vi kunde använda platina i vattenrening för att oxidera föroreningar?" han sa. "Det skulle ske i princip gratis, och eftersom syret redan finns i vattnet är det det närmaste du kan komma en kemikaliefri oxidation."
McCurry erkänner att platina är dyrt, men noterar också att kostnaden, som för en bils katalysator, är relativ. "Din bil har förmodligen mellan ett och 10 gram platina i sig. Mängden är inte trivial. Om det är billigt nog att sätta i en Honda Civic är det förmodligen tillräckligt billigt för att placeras i ett vattenreningsverk," sa McCurry.
Genombrottet, sa McCurry, är inte lika relevant för de flesta befintliga vattenåteranvändningsanläggningar, eftersom många av dem föredrar "indirekt återanvändning av dricksvatten." Det är här, efter att alla processer för vattenbehandling och återvinning är klara, pumpas vatten tillbaka till marken - så de skapar i princip nytt grundvatten. "När de väl är i marken är det troligt att någon mikrob kommer att äta upp aldehyderna och vattnet kommer att rengöras på det sättet", sa han.
"Men fler och fler pratar om direkt återanvändning av dricksvatten", sa han, "där vi talar om en sluten vattenslinga där vattnet går från avloppsreningsverket till återanvändningsverket och sedan antingen till ett dricksvattenverk eller direkt in i distributionssystemet till hem och företag."
I dessa fall kan aldehyder potentiellt nå konsumenter, sa McCurry. Medan de för närvarande är oreglerade, misstänker McCurry att förekomsten av aldehyder i återvunnet avloppsvatten snart kommer att dra till sig myndighetsuppmärksamhet. "Det här är problemet som vi inte insåg att vi hade en lösning på, men nu vet vi att den här katalysatorn, som vi hade använt för att oxidera slumpmässiga läkemedel för skojs skull, fungerar utmärkt för att oxidera aldehyder - och skulle möjliggöra direkt återanvändning av dricksvatten för att möta framtida regulatoriska riktlinjer och säkerhetsstandarder", sa han.
Teamet gjorde ett preliminärt experiment med platina i batch-reaktorer på några liter vatten. Experimenten var framgångsrika, men McCurry säger att för att detta ska fånga upp på massproduktionsnivå, skulle ytterligare forskning behöva göras om hur länge katalysatorn förblir aktiv. Teamet undersöker hur man potentiellt kan regenerera katalysatorn också. McCurry säger att det också kommer att vara viktigt att testa systemet med smutsigare vatten, vilket kan smutsa ner katalysatorn och göra den mindre effektiv.
Processen, för vilken laget har ett patentsökt, kommer att se ut att vara mer hållbar än alternativa metoder som kan kräva införande av ytterligare kemikalier och energi, sa McCurry. + Utforska vidare
