Nitrat är en besvärande grundvattenförorening som främst orsakas av gödselavrinning på jordbruksmark. Många brunnar i jordbruksregioner överskrider EPA-gränsen för nitrat i dricksvatten, och utan ett ekonomiskt behandlingsalternativ är vattnet olämpligt för dricksbruk.

Men forskare från Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) och Stanford University har utvecklat en teknik som kan ta bort nitrat från vatten selektivt, bevara nyttiga mineraler och dramatiskt minska kostnaden för behandling jämfört med andra reningsmetoder, såsom omvänd osmos.

"Vår teknik kan skalas från undersänka till kommunala anläggningsstorlekar och kommer att öka tillgången på sötvatten i områden med dåliga resurser, " sa LLNL materialforskare Patrick Campbell, medförfattare till en artikel som visas online och i en framtida omslagsupplaga av tidskriften Miljövetenskap och teknik .

Föroreningen av vattenresurser med nitrat är ett växande och betydande problem, särskilt i jordbruksregioner. Inser detta, teamet använde kapacitiva avjoniseringselektroder gjorda av ultramikroporöst kol med mindre än en nanometerstora porer som är perfekta för att ta bort nitratmolekyler.

Kapacitiv avjonisering (CDI) är en vattenbehandlingsteknik som kan användas för att avlägsna salt från bräckvatten med låg salthalt. Förutom allmän avsaltning, CDI kan användas för selektivt avlägsnande av specifika joniska föroreningar. En av de största föroreningarna är nitrat, som regleras av U.S. Environmental Protection Agency till en maximal föroreningsnivå i dricksvatten på 10 milligram per liter.

Dock, studier tyder på att koncentrationen av nitrat i grundvattnet ökar med 1-3 milligram per liter och år, gör utvecklingen av effektiva behandlingsmetoder allt viktigare.

"Det är rimligt att förvänta sig att en porstorleksfördelning av uteslutande smala porer skulle sålla bort vanliga oönskade joner till förmån för att selektivt adsorbera nitrat, sa Michael Stadermann, LLNL materialforskare och medförfattare till artikeln.

För att visa selektivitet, teamet valde klorid och sulfat eftersom de ofta finns i avrinnande vatten, och, tillsammans med nitrat, spänner över ett stort tvärsnitt av hydratiserade jons egenskaper. De fann att elektroden avlägsnade nitrat från vatten mycket mer effektivt än den avlägsnade klorid och sulfat.

För att bättre förstå varför nitrat företrädesvis avlägsnas framför sulfat och klorid, teamet genomförde molekylär dynamiska simuleringar av klorid med de första principerna, nitrat- och sulfatjoner lösta i bulkvatten.

"Dessa hög fidelitetssimuleringar ger insikt i hydratiseringsstrukturen för varje jon, inklusive geometri och solvatiseringsstyrka, som kan relateras direkt till jonselektiviteten som observerades i experimenten, sa Campbell.