Ingenieurs van het Nanotechnology Enabled Water Treatment (NEWT) Centre van Rice University hebben een katalysator gevonden die giftige nitraten uit drinkwater reinigt door ze om te zetten in lucht en water.

Het onderzoek is online beschikbaar in het tijdschrift American Chemical Society ACS Katalyse .

"Nitraat komt voornamelijk uit landbouwafval, die landbouwgemeenschappen over de hele wereld treft, " zei Rice chemisch ingenieur Michael Wong, de hoofdwetenschapper van het onderzoek. "Nitraten zijn zowel een milieuprobleem als een gezondheidsprobleem omdat ze giftig zijn. Er zijn ionenuitwisselingsfilters die ze uit het water kunnen verwijderen, maar deze moeten om de paar maanden worden doorgespoeld om ze opnieuw te gebruiken, en wanneer dat gebeurt, het gespoelde water geeft gewoon een geconcentreerde dosis nitraten terug in de watertoevoer."

Wong's lab is gespecialiseerd in het ontwikkelen van op nanodeeltjes gebaseerde katalysatoren, submicroscopische stukjes metaal die chemische reacties versnellen. In 2013, zijn groep toonde aan dat kleine gouden bolletjes bezaaid met spikkels palladium nitrieten konden afbreken, de meer giftige chemische neven van nitraten.

"Nitraten zijn moleculen met één stikstofatoom en drie zuurstofatomen, Wong legde uit. "Nitraten veranderen in nitrieten als ze zuurstof verliezen, maar nitrieten zijn nog giftiger dan nitraten, dus je wilt niet stoppen met nitrieten. Bovendien, nitraten zijn het meest voorkomende probleem.

"Uiteindelijk, de beste manier om nitraten te verwijderen is een katalytisch proces waarbij ze volledig uiteenvallen in stikstof en zuurstof, of in ons geval stikstof en water omdat we een beetje waterstof toevoegen, " zei hij. "Meer dan 75 procent van de atmosfeer van de aarde bestaat uit gasvormige stikstof, dus we zetten nitraten echt om in lucht en water."

Nitraten zijn giftig voor zuigelingen en zwangere vrouwen en kunnen ook kankerverwekkend zijn. Nitraatvervuiling komt veel voor in landbouwgemeenschappen, vooral in de Amerikaanse Corn Belt en Central Valley in Californië, waar veel kunstmest wordt gebruikt, en sommige studies hebben aangetoond dat nitraatvervuiling toeneemt als gevolg van veranderende patronen van landgebruik.

Zowel nitraten als nitrieten worden gereguleerd door de Environmental Protection Agency, die toelaatbare limieten stelt voor veilig drinkwater. In gemeenschappen met vervuilde bronnen en meren, dat betekent meestal het voorbehandelen van drinkwater met ionenuitwisselingsharsen die nitraten en nitrieten opvangen en verwijderen zonder ze te vernietigen.

Van hun eerdere werk, Het team van Wong wist dat goud-palladium nanodeeltjes geen goede katalysatoren waren om nitraten af ​​te breken. Co-auteur Kim Heck, een onderzoeker in het laboratorium van Wong, zei dat een zoektocht in gepubliceerde wetenschappelijke literatuur een andere mogelijkheid opleverde:indium en palladium.

“Dat hebben we kunnen optimaliseren, en we ontdekten dat het bedekken van ongeveer 40 procent van het oppervlak van een palladiumbol met indium ons onze meest actieve katalysator gaf, " zei Heck. "Het was ongeveer 50 procent efficiënter dan al het andere dat we in eerder gepubliceerde onderzoeken hebben gevonden. We hadden daar kunnen stoppen, maar we waren echt geïnteresseerd om te begrijpen waarom het beter was, en daarvoor moesten we de chemie achter deze reactie onderzoeken."

In samenwerking met collega's op het gebied van chemische technologie Jeffrey Miller van Purdue University en Lars Grabow van de University of Houston, het Rice-team ontdekte dat het indium de afbraak van nitraten versnelt, terwijl het palladium blijkbaar voorkomt dat het indium permanent wordt geoxideerd.

"Indium wordt graag geoxideerd, "Zei Heck. "Van onze in situ studies, we ontdekten dat door de katalysatoren bloot te stellen aan oplossingen die nitraat bevatten, het indium oxideerde. Maar toen we met waterstof verzadigd water toevoegden, het palladium zorgde ervoor dat een deel van die zuurstof zich aan de waterstof bindt en water vormt, en dat resulteerde erin dat het indium in een gereduceerde staat bleef waar het vrij is om meer nitraten af ​​te breken."

Wong zei dat zijn team zal samenwerken met industriële partners en andere onderzoekers om het proces om te zetten in een commercieel levensvatbaar waterbehandelingssysteem.

"Dat is waar NEWT binnenkomt, " zei hij. "NEWT gaat helemaal over het nemen van fundamentele wetenschappelijke ontdekkingen en het inzetten ervan in echte omstandigheden. Dit wordt een voorbeeld binnen NEWT waar we de chemie hebben uitgedokterd, en de volgende stap is het creëren van een stroomsysteem om proof of concept te laten zien dat de technologie in het veld kan worden gebruikt."

NEWT is een multi-institutioneel technisch onderzoekscentrum gevestigd in Rice dat in 2015 werd opgericht door de National Science Foundation om compacte, mobiel, off-grid waterbehandelingssystemen die miljoenen mensen van schoon water kunnen voorzien en de Amerikaanse energieproductie duurzamer en kosteneffectiever kunnen maken. NEWT zal naar verwachting in 2025 meer dan $ 40 miljoen aan federale en industriële steun aantrekken en is gericht op toepassingen voor humanitaire noodhulp, landelijke watersystemen en afvalwaterzuivering en hergebruik op afgelegen locaties, inclusief zowel onshore als offshore boorplatforms voor olie- en gasexploratie.