Een polymeermat ontwikkeld aan de Rice University heeft het vermogen om biologisch schadelijke verontreinigingen uit water te vissen via een strategie die bekend staat als "aas, haken en vernietigen."

Tests met afvalwater toonden aan dat de mat gerichte verontreinigende stoffen efficiënt kan verwijderen, in dit geval een paar biologisch schadelijke hormoonontregelaars, met een fractie van de energie die andere technologie nodig heeft. De techniek kan ook worden gebruikt om drinkwater te behandelen.

De mat is ontwikkeld door wetenschappers met het Rice-led Nanotechnology-Enabled Water Treatment (NEWT) Center. Het onderzoek is online beschikbaar in het tijdschrift American Chemical Society Milieuwetenschap en -technologie .

De mat is afhankelijk van het vermogen van een gemeenschappelijk materiaal, titaandioxide, om verontreinigende stoffen op te vangen en, bij blootstelling aan licht, degraderen ze door oxidatie tot onschadelijke bijproducten.

Titaandioxide wordt al gebruikt in sommige afvalwaterzuiveringssystemen. Het wordt meestal omgezet in een slurry, gecombineerd met afvalwater en blootgesteld aan ultraviolet licht om verontreinigingen te vernietigen. De drijfmest moet dan uit het water worden gefilterd.

De NEWT-mat vereenvoudigt het proces. De mat is gemaakt van gesponnen polyvinylvezels. De onderzoekers maakten het zeer poreus door kleine plastic bolletjes toe te voegen die later met chemicaliën werden opgelost. De poriën bieden veel oppervlakte voor titaniumoxidedeeltjes om te bewonen en op hun prooi te wachten.

De hydrofobe (watervermijdende) vezels van de mat trekken van nature hydrofobe verontreinigingen aan, zoals de hormoonontregelaars die in de tests werden gebruikt. Eenmaal gebonden aan de mat, blootstelling aan licht activeert het fotokatalytische titaniumdioxide, die reactieve zuurstofsoorten (ROS) produceert die de verontreinigingen vernietigen.

Opgericht door de National Science Foundation in 2015, NEWT is een landelijk onderzoekscentrum dat zich richt op het ontwikkelen van compacte, mobiel, off-grid waterbehandelingssystemen die schoon water kunnen leveren aan miljoenen mensen die het niet hebben en die de Amerikaanse energieproductie duurzamer en kosteneffectiever maken.

NEWT-onderzoekers zeiden dat hun mat kan worden schoongemaakt en hergebruikt, geschaald naar elke grootte, en de chemie ervan kan worden afgestemd op verschillende verontreinigende stoffen.

"De huidige fotokatalytische behandeling heeft twee beperkingen, " zei Rice milieu-ingenieur en NEWT Center directeur Pedro Alvarez. "Een daarvan is inefficiëntie omdat de geproduceerde oxidanten worden weggevangen door dingen die veel overvloediger zijn dan de doelverontreinigende stof, zodat ze de verontreinigende stof niet vernietigen.

"Tweede, het kost veel geld om slurry-fotokatalysatoren vast te houden en te scheiden en te voorkomen dat ze in het behandelde water lekken, " zei hij. "In sommige gevallen, de energiekosten van het filteren van die slurry zijn meer dan wat nodig is om de UV-lampen van stroom te voorzien.

"We hebben beide beperkingen opgelost door de katalysator te immobiliseren, zodat deze heel gemakkelijk kan worden hergebruikt en bewaard, "Zei Alvarez. "We staan ​​niet toe dat het uit de mat lekt en het water raakt."

Alvarez zei dat de poreuze polymeermat een belangrijke rol speelt omdat deze de doelverontreinigende stoffen aantrekt. "Dat is het aas en de haak, " zei hij. "Dan vernietigt de fotokatalysator de verontreinigende stof door hydroxylradicalen te produceren."

"De poriën op nanoschaal worden geïntroduceerd door een opofferingspolymeer op de elektrospun vezels op te lossen, " hoofdauteur en voormalig Rice postdoctoraal onderzoeker Chang-Gu Lee zei. "De poriën verbeteren de toegang van de verontreinigingen tot titaniumdioxide."

De experimenten lieten een dramatische energiereductie zien in vergelijking met afvalwaterzuivering met slurry.

"Niet alleen vernietigen we de verontreinigende stoffen sneller, maar we verminderen ook aanzienlijk onze elektrische energie per reactievolgorde, " zei Alvarez. "Dit is een maat voor hoeveel energie je nodig hebt om één orde van grootte van de verontreinigende stof te verwijderen, hoeveel kilowattuur je nodig hebt om 90 procent of 99 procent of 99,9 procent te verwijderen.

"We laten zien dat voor de drijfmest, als u overstapt van de behandeling van gedestilleerd water naar het afvalwater van een afvalwaterzuiveringsinstallatie, de benodigde hoeveelheid energie neemt 11-voudig toe. Maar als je dit doet met onze geïmmobiliseerde aas-en-haak fotokatalysator, de vergelijkbare stijging is slechts tweevoudig. Het is een flinke besparing."

De mat zou zuiveringsinstallaties ook in staat stellen om verontreinigende stoffen in twee afzonderlijke stappen te verwijderen en te vernietigen, wat niet mogelijk is met de slurry, zei Allvarez. "Het kan wenselijk zijn om dat te doen als het water troebel is en lichtpenetratie een uitdaging is. Je kunt de door de mat geabsorbeerde verontreinigingen eruit vissen en overbrengen naar een andere reactor met helderder water. Daar, je kunt de verontreinigende stoffen vernietigen, maak de mat schoon en breng hem dan terug zodat hij naar meer kan vissen."

Het afstemmen van de mat zou inhouden dat de hydrofobe of hydrofiele eigenschappen ervan moeten worden aangepast aan de doelverontreinigende stoffen. "Op die manier zou je meer water kunnen behandelen met een kleinere reactor die selectiever is, en daarom deze reactoren miniaturiseren en hun ecologische voetafdruk verkleinen, " zei hij. "Het is niet alleen een kans om de energiebehoefte te verminderen, maar ook ruimtevereisten voor fotokatalytische waterbehandeling."

Alvarez zei dat samenwerking door de onderzoekspartners van NEWT ertoe heeft geleid dat het project binnen enkele maanden tot stand is gekomen. "NEWT stelde ons in staat om iets te doen dat afzonderlijk heel moeilijk te bereiken zou zijn in deze korte tijd, " hij zei.

"Ik denk dat de mat het menu waaruit we oplossingen voor onze waterzuiveringsuitdagingen selecteren, aanzienlijk zal verbeteren, ' zei Allvarez.