När giftiga tungmetaller som bly och kadmium kommer ut från fabriker eller gruvor, de kan förorena den närliggande jorden. Utan några enkla sätt att ta bort dessa föroreningar, fält måste spärras av för att förhindra att dessa gifter kommer in i näringskedjan där de hotar människors och djurs hälsa.

Enligt Naturvårdsverket, tungmetaller har hittats på tusentals platser över hela landet. Medan vissa har städats upp genom en kombination av federala, statliga och privata insatser, Behovet kvarstår av ny teknik för att ta itu med tungmetallkontamination.

Nu har ett forskarlag under ledning av Stanfords materialforskare Yi Cui uppfunnit ett sätt att tvätta tungmetaller från förorenad jord med en kemisk process som är lite som att brygga kaffe.

Som de beskriver den 4 juni i Naturkommunikation , forskarna började med att skölja förorenad jord med en blandning av vatten och en kemikalie som attraherar tungmetaller. När den blandningen sipprar genom jorden, kemikalien drar loss tungmetaller. Teammedlemmarna samlade sedan in denna giftiga brygd och körde den genom ett elektrokemiskt filter som fångade upp tungmetallerna ur vattnet. På så sätt rensade de jorden från tungmetaller och återvann vatten och kemikalieblandning för att sippra genom mer förorenad mark.

"Detta är ett nytt tillvägagångssätt för marksanering, sade Cui, som är professor i materialvetenskap och teknik och fotonvetenskap. "Vårt nästa steg är ett pilottest för att säkerställa att det som fungerar i labbet är praktiskt på fältet, och för att ta reda på hur mycket den här processen kommer att kosta."

Än så länge, hans team har rensat jordar förorenade med bly och kadmium, två vanliga och farliga gifter, såväl som med koppar, vilket bara är farligt i höga koncentrationer. Cui tror att denna process med kemisk rening och elektrokemisk filtrering kommer att fungera med andra farliga tungmetaller som kvicksilver och krom, men ytterligare labbexperiment behövs för att visa det.

Inga fler offerväxter

Cui sa att projektet började för två år sedan när han och doktoranden Jinwei Xu brainstormade om hur man löser det grundläggande problemet:Tungmetaller binder till jorden och blir praktiskt taget oupplösliga. I dag, Cui sa, sanering kan innebära att man gräver upp förorenade jordar och binder dem någonstans. Jordbruksforskare har också utvecklat fytoremedieringstekniker – odling av offerväxter i förorenad jord för att absorbera tungmetaller, sedan skörda dessa grödor och föra dem till en utvinnings- och slutförvaringsanläggning. Men fytoremediering kan ta många år av upprepade skördar.

Söker en snabb, kostnadseffektivt sätt att utvinna tungmetaller från förorenade fält, forskarna försökte tvätta giftiga jordprover med vanligt vatten. De insåg snart att vanligt vatten inte kunde bryta den kemiska bindningen mellan tungmetallerna och jorden. De behövde lite tillsats för att bända loss föroreningarna. De hittade svaret i en vanlig kemikalie känd genom dess initialer:EDTA.

I efterhand, EDTA var det självklara valet eftersom samma kemikalie används för att behandla patienter som förgiftats med bly eller kvicksilver. Negativt laddad EDTA binder så starkt till positivt laddade tungmetallpartiklar att det drar bly eller kvicksilver från patientens vävnader. Forskarna resonerade att när det är löst i vatten, EDTA:s negativa krokar skulle slita loss tungmetaller från jordar. Experiment visade detta. När EDTA-behandlat vatten sipprade genom förorenad jord, den förde bort tungmetallerna.

Men lagets jobb var bara hälften gjort. Jorden var ren, men det behandlade vattnet var fortfarande giftigt. De behövde ett sätt att separera EDTA från tungmetallerna i sköljvattnet och fånga upp dessa toxiner en gång för alla.

Isolera tungmetaller

Forskarna visste att EDTA förblev starkt negativ även efter att den fångade en positivt laddad metallpartikel. Så, forskarna byggde en sil med de elektriska och kemiska egenskaperna för att dra isär negativt laddade EDTA och positivt laddade tungmetaller. Resultatet blev isolerade tungmetaller och en blandning av vatten och EDTA redo att rena mer jord.

Förutom bly och kadmium, forskarna testade processen på koppar, vilket bara är farligt i höga koncentrationer. Nästa Cui skulle vilja köra experimentet på andra tungmetaller som kvicksilver, som är så giftiga att de kräver speciell hantering för att skydda forskarna. Men han tycker att kemin är så bra att han är säker på att lyckas i labbet. Den större frågan är om processen kan skalas upp för att behandla tonvis av förorenad jord. Forskarna har försökt patentera processen genom Stanford Office of Technology Licensing och skulle vilja hitta en möjlighet att driva ett pilotprojekt i ett förorenat område.

"Vi har verkligen ingen bra saneringsteknik för tungmetaller, " sa Cui. "Om detta visar sig praktiskt i stor skala kommer det att vara ett betydande framsteg."