science >> Wetenschap >  >> Chemie

Nieuw Zwitsers zakmes ruimt watervervuiling op

Co-auteurs Vinayak Dravid en Stephanie Ribet onderzoeken hun fosfaatverwijderings- en herstelsubstraat. Krediet:Northwestern University

Fosfaatvervuiling in rivieren, meren en andere waterwegen gevaarlijke niveaus hebben bereikt, algenbloei veroorzaken die vissen en waterplanten van zuurstof verhongeren. In de tussentijd, boeren over de hele wereld krijgen te maken met een afnemende voorraad fosfaatmeststoffen die de helft van de wereldvoedselvoorziening voeden.

Geïnspireerd door de vele nabijgelegen wateren van Chicago, een door de Northwestern University geleid team heeft een manier ontwikkeld om herhaaldelijk fosfaat uit vervuild water te verwijderen en opnieuw te gebruiken. De onderzoekers vergelijken de ontwikkeling met een "Zwitsers zakmes" voor het oplossen van vervuiling, omdat ze hun membraan aanpassen om andere verontreinigende stoffen te absorberen en later af te geven.

Het onderzoek wordt in de week van 31 mei gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Science .

Fosfor vormt de basis van zowel het wereldvoedselsysteem als al het leven op aarde. Elk levend organisme op aarde heeft het nodig:fosfor zit in celmembranen, de steigers van DNA en in ons skelet. Hoewel andere belangrijke elementen zoals zuurstof en stikstof in de atmosfeer kunnen worden gevonden, fosfor heeft geen analoog. De kleine fractie bruikbare fosfor komt uit de aardkorst, die duizenden of zelfs miljoenen jaren nodig heeft om te verweren. En onze mijnen raken op.

Een artikel uit 2021 in The Atlantic door Julia Rosen citeerde het essay van Isaac Asimov uit 1939, waarin de Amerikaanse schrijver en chemicus fosfor "het knelpunt van het leven" noemde.

Gezien het tekort aan deze niet-hernieuwbare natuurlijke hulpbron, het is helaas ironisch dat veel van onze meren lijden aan een proces dat bekend staat als eutrofiëring, die optreedt wanneer te veel voedingsstoffen een natuurlijke waterbron binnendringen. Naarmate fosfaat en andere mineralen zich ophopen, waterplanten en algen worden te dicht, zuurstof uit het water halen en uiteindelijk het leven in het water doden.

“Vroeger hergebruikten we veel meer fosfaat, " zei Stephanie Ribet, de eerste auteur van de krant. "Nu trekken we het gewoon uit de grond, gebruik het eenmaal en spoel het na gebruik weg in waterbronnen. Dus, het is een vervuilingsprobleem, een duurzaamheidsprobleem en een circulaire economieprobleem."

Ecologen en ingenieurs hebben van oudsher tactieken ontwikkeld om de toenemende bezorgdheid over het milieu en de volksgezondheid rond fosfaat aan te pakken door fosfaat uit waterbronnen te verwijderen. Pas recentelijk is het accent verschoven van het verwijderen naar het terugwinnen van fosfaat.

"Je kunt altijd bepaalde dingen doen in een laboratoriumomgeving, " zei Vinayak Dravid, de corresponderende auteur van de studie. "Maar er is een Venn-diagram als het gaat om opschalen, waar je de technologie moet kunnen schalen, u wilt dat het effectief is en u wilt dat het betaalbaar is. Er was niets in dat kruispunt van de drie ervoor, maar onze spons lijkt een platform te zijn dat aan al deze criteria voldoet."

Dravid is de Abraham Harris Professor of Materials Science and Engineering aan de Northwestern's McCormick School of Engineering, de oprichter en directeur van het Northwestern University Atomic and Nanoscale Characterization Experimental Center (NUANCE), en directeur van de Soft and Hybrid Nanotechnology Experimental Resource (SHyNE). Dravid is ook de directeur van wereldwijde initiatieven voor het Northwestern's International Institute of Nanotechnology. Ribet is een Ph.D. student in het laboratorium van Dravid en de eerste auteur van het artikel.

Het Phosphate Elimination and Recovery Lightweight (PEARL) membraan van het team is een poreus, flexibele ondergrond (zoals een gecoate spons, doek of vezels) die selectief tot 99% van de fosfaationen uit vervuild water sekwestreert. Bekleed met nanostructuren die binden aan fosfaat, het PEARL-membraan kan worden afgesteld door de pH te regelen om voedingsstoffen te absorberen of af te geven om fosfaatterugwinning en hergebruik van het membraan voor vele cycli mogelijk te maken.

De huidige methoden om fosfaat te verwijderen zijn gebaseerd op complexe, lang, methodes met meerdere stappen. De meeste van hen recupereren niet ook het fosfaat tijdens de verwijdering en genereren uiteindelijk veel fysiek afval. Het PEARL-membraan biedt een eenvoudig proces in één stap om fosfaat te verwijderen dat het ook efficiënt terugwint. Het is ook herbruikbaar en genereert geen fysiek afval.

Met behulp van monsters uit Chicago's Water Reclamation District, de onderzoekers testten hun theorie met de toegevoegde complexiteit van echte watermonsters.

"We noemen dit vaak een 'oplossing op nanoschaal voor een gigatonprobleem', '" zei Dravid. "In veel opzichten hebben de interacties op nanoschaal die we bestuderen implicaties voor herstel op macroniveau."

Het team heeft aangetoond dat de sponsbenadering effectief is op schalen, variërend van milligram tot kilogram, wat een belofte suggereert om nog verder op te schalen.

Dit onderzoek bouwt voort op een eerdere ontwikkeling van hetzelfde team:Vikas Nandwana, een lid van de Dravid-groep en co-auteur van de huidige studie was de eerste auteur - de OHM (oleofiele hydrofobe multifunctionele) spons genoemd die hetzelfde sponsplatform gebruikte om selectief olie te verwijderen en terug te winnen die het gevolg was van olieverontreiniging in water. Door de nanomateriaalcoating in het membraan aan te passen, het team is van plan om vervolgens hun "plug-and-play"-achtige raamwerk te gebruiken om achter zware metalen aan te gaan. Ribet zei ook dat meerdere verontreinigende stoffen tegelijk kunnen worden aangepakt door meerdere materialen met op maat gemaakte affiniteiten toe te passen.

"Deze watersaneringsuitdaging komt zo dicht bij huis, " Ribet zei. "Het westelijke stroomgebied van Lake Erie is een van de belangrijkste gebieden waar je aan denkt als het gaat om eutrofiëring, en ik werd geïnspireerd door meer te leren over de uitdagingen op het gebied van watersanering in onze wijk Grote Meren."