Als het gaat om het verwijderen van zeer verdunde concentraties van verontreinigende stoffen uit water, bestaande scheidingsmethoden zijn vaak energie- en chemisch-intensief. Nutsvoorzieningen, een nieuwe methode ontwikkeld aan het MIT zou een selectief alternatief kunnen bieden voor het verwijderen van zelfs extreem lage niveaus van ongewenste verbindingen.

De nieuwe aanpak wordt beschreven in het tijdschrift Energie- en milieuwetenschappen , in een paper van MIT-postdoc Xiao Su, Ralph Landau hoogleraar chemische technologie T. Alan Hatton, en vijf anderen aan het MIT en aan de Technische Universiteit van Darmstadt in Duitsland.

Het systeem maakt gebruik van een nieuwe methode, vertrouwen op een elektrochemisch proces om selectief organische verontreinigingen zoals pesticiden te verwijderen, chemische afvalproducten, en geneesmiddelen, zelfs wanneer deze in kleine maar gevaarlijke concentraties aanwezig zijn. De aanpak gaat ook in op de belangrijkste beperkingen van conventionele elektrochemische scheidingsmethoden, zoals zuurgraadschommelingen en prestatieverlies die kunnen optreden als gevolg van concurrerende oppervlaktereacties.

Huidige systemen voor het omgaan met dergelijke verdunde verontreinigingen omvatten membraanfiltratie, die duur is en een beperkte effectiviteit heeft bij lage concentraties, en elektrodialyse en capacitieve deïonisatie, die vaak hoge spanningen vereisen die de neiging hebben om nevenreacties te veroorzaken, zegt Su. Deze processen worden ook belemmerd door overtollige achtergrondzouten.

In het nieuwe systeem is het water stroomt tussen chemisch behandeld, of "gefunctionaliseerd, " oppervlakken die dienen als positieve en negatieve elektroden. Deze elektrode-oppervlakken zijn gecoat met zogenaamde Faradaïsche materialen, die reacties kunnen ondergaan om positief of negatief geladen te worden. Deze actieve groepen kunnen worden afgestemd om sterk te binden aan een specifiek type vervuilende molecule, zoals het team aantoonde met behulp van ibuprofen en verschillende pesticiden. De onderzoekers ontdekten dat dit proces dergelijke moleculen effectief kan verwijderen, zelfs bij concentraties van deeltjes per miljoen.

Eerdere studies waren meestal gericht op geleidende elektroden, of gefunctionaliseerde platen op slechts één elektrode, maar deze bereiken vaak hoge spanningen die verontreinigende verbindingen produceren. Door geschikt gefunctionaliseerde elektroden aan zowel de positieve als de negatieve kant te gebruiken, in een asymmetrische configuratie, de onderzoekers elimineerden deze nevenreacties bijna volledig. Ook, deze asymmetrische systemen maken gelijktijdige selectieve verwijdering van zowel positieve als negatieve toxische ionen mogelijk, zoals het team aantoonde met de herbiciden paraquat en quinchlorac.

Hetzelfde selectieve proces moet ook worden toegepast op de terugwinning van hoogwaardige verbindingen in een chemische of farmaceutische productie-installatie, waar ze anders zouden worden verspild, zegt Su. "Het systeem kan worden gebruikt voor milieusanering, voor giftige organische chemische verwijdering, of in een chemische fabriek om producten met toegevoegde waarde terug te winnen, omdat ze allemaal op hetzelfde principe zouden vertrouwen om het minderheids-ion uit een complex multi-ionsysteem te halen."

Het systeem is van nature zeer selectief, maar in de praktijk zou het waarschijnlijk worden ontworpen met meerdere fasen om achtereenvolgens met een verscheidenheid aan verbindingen om te gaan, afhankelijk van de exacte toepassing, zegt Su. "Zulke systemen kunnen uiteindelijk nuttig zijn, " stelt hij voor, "voor waterzuiveringssystemen voor afgelegen gebieden in ontwikkelingslanden, waar vervuiling door pesticiden, kleurstoffen, en andere chemicaliën zijn vaak een probleem in de watervoorziening. De zeer efficiënte, elektrisch aangedreven systeem zou bijvoorbeeld op het platteland kunnen werken op stroom van zonnepanelen."

In tegenstelling tot op membraan gebaseerde systemen die hoge drukken vereisen, en andere elektrochemische systemen die werken op hoge spanningen, het nieuwe systeem werkt bij relatief goedaardige lage spanningen en drukken, zegt Hatton. En, hij maakt duidelijk, in tegenstelling tot conventionele ionenuitwisselingssystemen waar de afgifte van de gevangen verbindingen en de regeneratie van de adsorbentia de toevoeging van chemicaliën zou vereisen, "in ons geval kun je gewoon een schakelaar omdraaien" om hetzelfde resultaat te bereiken door de polariteit van de elektroden om te wisselen.

Het onderzoeksteam heeft al een reeks onderscheidingen gewonnen voor de voortdurende ontwikkeling van waterbehandelingstechnologie, inclusief subsidies van de J-WAFS Solutions en Massachusetts Clean Energy Catalyst-competities, en de onderzoekers waren vorig jaar de topwinnaars van de MIT Water Innovation Prize. De onderzoekers hebben patent aangevraagd op het nieuwe proces. "We willen dit zeker in de echte wereld implementeren, " zegt Hatton. Ondertussen, ze werken aan het opschalen van hun prototype-apparaten in het lab en het verbeteren van de chemische robuustheid.

Deze techniek "is zeer belangrijk, omdat het de mogelijkheden van elektrochemische systemen uitbreidt van in principe niet-selectieve naar zeer selectieve verwijdering van belangrijke verontreinigende stoffen, " zegt Matthew Suss, een assistent-professor werktuigbouwkunde aan het Technion Institute of Technology in Israël, die niet bij dit werk betrokken was. "Zoals bij veel opkomende waterzuiveringstechnieken, het moet nog steeds worden getest onder reële omstandigheden en gedurende lange perioden om de duurzaamheid te controleren. Echter, het prototypesysteem bereikte meer dan 500 cycli, wat een veelbelovend resultaat is."

Deze onderzoekers "hebben systematisch een verscheidenheid aan apparaatconfiguraties en een verscheidenheid aan verontreinigingen onderzocht, " zegt Kyle Smith, een professor in mechanische wetenschappen en techniek aan de Universiteit van Illinois, die ook niet bij dit werk betrokken was. "Tijdens het proces hebben ze algemene ontwerpprincipes geïdentificeerd waarmee selectieve verwijdering van verontreinigingen kan worden bereikt. In dit opzicht, Ik vind de studie van Hatton en collega's zeer grondig en doordacht. Het biedt een raamwerk of paradigma dat andere onderzoekers kunnen navolgen." hij voegt toe, "Een belangrijke uitdaging die overblijft, is de opschaling van deze technologieën."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.