Het kost veel energie om te verzamelen, verontreinigd water reinigen en afvoeren. Sommige verontreinigingen, zoals arseen, voorkomen in lage concentraties, pleiten voor nog meer energie-intensieve selectieve verwijderingsprocessen.

In een nieuwe krant onderzoekers pakken deze water-energierelatie aan door een apparaat te introduceren dat met arseen verontreinigd water in één stap kan zuiveren en saneren. Met behulp van gespecialiseerde polymeerelektroden, het apparaat kan arseen in water met meer dan 90% verminderen, terwijl het ongeveer 10 keer minder energie verbruikt dan andere methoden.

De bevindingen van de nieuwe studie zijn gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde materialen . Arseen is een natuurlijk voorkomend element dat in watervoerende lagen terechtkomt, beken en meren wanneer water reageert met arseenhoudende rotsen en als zeer giftig wordt beschouwd, aldus de onderzoekers. Dit is een wereldwijd probleem dat meer dan 200 miljoen mensen in 70 landen treft.

Niet alle arseen is hetzelfde, zei Xiao Su, een professor in chemische en biomoleculaire engineering aan de Universiteit van Illinois die de studie leidde. De gevaarlijkste vorm van arseen, bekend als arseniet, is zeer reactief met biologische weefsels, maar wordt omgezet in een minder giftige vorm, arsenaat genoemd, door een eenvoudige oxidatiereactie.

"We kunnen arseniet uit water verwijderen met absorptiemiddelen, gespecialiseerde membranen of verdamping, maar dit zijn allemaal zeer energie-intensieve processen die uiteindelijk veel giftig afval achterlaten, Su zei. "Door een apparaat te hebben dat arseniet met een hoge selectiviteit kan opvangen en omzetten in een minder giftige vorm, we kunnen de toxiciteit van het afval verminderen terwijl we het water zuiveren."

Het proof-of-concept-apparaat werkt door de scheidings- en reactiestappen van verontreinigingen te integreren in een enkele eenheid met een elektrokatalytische cel - vergelijkbaar met een batterij - met behulp van redox-actieve polymeren. Wanneer het verontreinigde water in het apparaat komt, de eerste polymeerelektrode vangt selectief het arseniet op en stuurt het naar de andere polymeerelektrode, waar het wordt ontdaan van twee van zijn elektronen - of geoxideerd - om arsenaat te vormen. Zuiver water verlaat dan het apparaat, en het arsenaatafval wordt geconcentreerd voor verdere verwijdering, zei Su.

"Het proces wordt aangedreven door elektrochemische reacties, dus het apparaat heeft niet veel elektriciteit nodig om te werken en maakt het hergebruik van de elektroden mogelijk op basis van alleen elektrochemische potentiaal, Su zei. "Het combineren van de scheidings- en reactiestappen in één apparaat is een voorbeeld van wat we processen-intensificatie noemen, waarvan wij geloven dat het een belangrijke benadering is om milieuproblemen met betrekking tot energie en water aan te pakken, in het bijzonder, de hoeveelheid energie die nodig is om verontreinigd water te zuiveren en te saneren."

Naast verbeterde duurzaamheid en energie-efficiëntie, deze elektrochemische benadering heeft voordelen voor gebruik in het veld, aldus de onderzoekers. Gebruikers kunnen het apparaat gebruiken met behulp van zonnepanelen in gebieden waar elektriciteit schaars is, zoals in delen van het landelijke Bangladesh, een land waar meer dan 60% van de bevolking wordt getroffen door met arseen verontreinigd water, aldus de onderzoekers.

Er zijn uitdagingen die moeten worden aangepakt voordat het apparaat klaar is voor implementatie in de echte wereld. "We moeten de stabiliteit van de elektroden vergroten, omdat dit proces tijdens het hardlopen vele malen moet worden doorlopen. Su zei. "We gebruiken zeer gespecialiseerde, zeer geavanceerde polymeermaterialen voor de elektroden. Echter, we moeten ervoor zorgen dat we ze zo ontwerpen dat ze niet alleen zeer selectief zijn voor arseen, maar ook zeer stabiel en robuust zodat ze niet steeds vervangen hoeven te worden. Dit zal verdere chemische ontwikkeling vereisen om te overwinnen."