Sommige soorten watervervuiling, zoals algenbloei en plastic dat rivieren vervuilt, meren, en mariene omgevingen, in het zicht liggen. Maar andere verontreinigingen zijn niet zo duidelijk zichtbaar, wat hun impact potentieel gevaarlijker maakt. Onder deze onzichtbare stoffen bevindt zich uranium. Uitloging naar waterbronnen van mijnbouwactiviteiten, nucleair afval, of uit natuurlijke ondergrondse afzettingen, het element kan nu wereldwijd uit kranen worden gevonden.

Alleen al in de Verenigde Staten, "veel gebieden zijn getroffen door uraniumverontreiniging, inclusief de watervoerende lagen van de High Plains en Central Valley, die drinkwater leveren aan 6 miljoen mensen, " zegt Ahmed Sami Helal, een postdoc bij de afdeling Nuclear Science and Engineering. Deze besmetting vormt een nabij en aanwezig gevaar. "Zelfs kleine concentraties zijn slecht voor de menselijke gezondheid, " zegt Ju Li, de Battelle Energy Alliance hoogleraar Nuclear Science and Engineering en hoogleraar materiaalkunde en engineering.

Nutsvoorzieningen, een team onder leiding van Li heeft een zeer efficiënte methode bedacht om uranium uit drinkwater te verwijderen. Een elektrische lading aanbrengen op grafeenoxideschuim, de onderzoekers kunnen uranium in oplossing vangen, die neerslaat als een gecondenseerd vast kristal. Het schuim kan tot zeven keer worden hergebruikt zonder zijn elektrochemische eigenschappen te verliezen. "Binnen enkele uren, ons proces kan een grote hoeveelheid drinkwater zuiveren onder de EPA-limiet voor uranium, " zegt Li.

Een paper waarin dit werk wordt beschreven, is deze week gepubliceerd Geavanceerde materialen . De twee eerste co-auteurs zijn Helal en Chao Wang, een postdoc aan het MIT tijdens de studie, die nu verbonden is aan de School of Materials Science and Engineering aan de Tongji University, Sjanghai. Onderzoekers van het Argonne National Laboratory, Taiwan's Nationale Chiao Tung Universiteit, en de Universiteit van Tokyo namen ook deel aan het onderzoek. Het Defense Threat Reduction Agency (U.S. Department of Defense) financierde latere stadia van dit werk.

Richten op de verontreinigende stof

Het project, drie jaar geleden gelanceerd, begon als een poging om betere benaderingen te vinden voor het opruimen van zware metalen uit mijnbouwlocaties. Daten, saneringsmethoden voor metalen zoals chroom, cadmium, arseen, leiding, kwik, radium, en uranium zijn beperkt en duur gebleken. "Deze technieken zijn zeer gevoelig voor organische stoffen in water, en zijn slecht in het scheiden van de zware metalen verontreinigingen, " legt Helal uit. "Dus ze gaan gepaard met lange operatietijden, hoge kapitaalkosten, en aan het einde van de extractie, meer giftig slib genereren."

Aan de ploeg, uranium leek een bijzonder aantrekkelijk doelwit. Veldtesten van de U.S. Geological Service en de Environmental Protection Agency (EPA) hebben aangetoond dat er ongezonde hoeveelheden uranium in reservoirs en watervoerende lagen terechtkomen uit natuurlijke rotsbronnen in het noordoosten van de Verenigde Staten. van vijvers en kuilen waar oude kernwapens en brandstof worden opgeslagen in plaatsen als Hanford, Washington, en van mijnbouwactiviteiten in veel westerse staten. Dit soort besmetting komt ook in veel andere landen voor. Een alarmerend aantal van deze locaties vertoont uraniumconcentraties dichtbij of boven het door de EPA aanbevolen plafond van 30 delen per miljard (ppb) - een niveau dat verband houdt met nierschade, risico op kanker, en neurologische gedragsveranderingen bij mensen.

De cruciale uitdaging lag in het vinden van een praktisch saneringsproces dat uitsluitend gevoelig is voor uranium, in staat om het uit de oplossing te extraheren zonder giftige residuen te produceren. En terwijl eerder onderzoek aantoonde dat elektrisch geladen koolstofvezel uranium uit water kan filteren, de resultaten waren gedeeltelijk en onnauwkeurig.

Wang slaagde erin deze problemen op te lossen - op basis van haar onderzoek naar het gedrag van grafeenschuim dat wordt gebruikt voor lithium-zwavelbatterijen. "De fysieke prestaties van dit schuim waren uniek vanwege het vermogen om bepaalde chemische soorten naar het oppervlak te trekken, " zegt ze. "Ik dacht dat de liganden in grafeenschuim goed zouden werken met uranium."

Eenvoudig, efficiënt, en schoon

Het team ging aan de slag om grafeenschuim om te zetten in het equivalent van een uraniummagneet. Ze leerden dat door een elektrische lading door het schuim te sturen, het splitsen van water en het vrijgeven van waterstof, ze kunnen de lokale pH verhogen en een chemische verandering veroorzaken die uraniumionen uit de oplossing trekt. De onderzoekers ontdekten dat het uranium zichzelf zou enten op het oppervlak van het schuim, waar het een nooit eerder gezien kristallijn uraniumhydroxide vormde. Bij omkering van de elektrische lading, het mineraal, die lijkt op vissenschubben, gleed gemakkelijk van het schuim.

Er waren honderden pogingen nodig om de chemische samenstelling en elektrolyse precies goed te krijgen. "We bleven de functionele chemische groepen veranderen om ze correct te laten werken, " zegt Helal. "En het schuim was aanvankelijk vrij kwetsbaar, neiging om in stukken te breken, dus we moesten het sterker en duurzamer maken, " zegt Wang.

Dit uraniumfiltratieproces is eenvoudig, efficiënt, en schoon, volgens Li:"Elke keer dat het wordt gebruikt, ons schuim kan vier keer zijn eigen gewicht aan uranium opvangen, en we kunnen een afzuigcapaciteit van 4 bereiken, 000 mg per gram, wat een grote verbetering is ten opzichte van andere methoden, " zegt hij. "We hebben ook een grote doorbraak gemaakt in herbruikbaarheid, omdat het schuim zeven cycli kan doorlopen zonder zijn extractie-efficiëntie te verliezen." Het grafeenschuim functioneert ook in zeewater, waar het de uraniumconcentraties verlaagt van 3 delen per miljoen tot 19,9 ppb, waaruit blijkt dat andere ionen in de pekel de filtratie niet verstoren.

Het team gelooft dat het goedkoop is, effectief apparaat kan een nieuw soort huiswaterfilter worden, passend op kranen zoals die van commerciële merken. "Sommige van deze filters hebben al actieve kool, dus misschien kunnen we deze aanpassen, laagspannings-elektriciteit toevoegen om uranium te filteren, " zegt Li.

"De uraniumextractie die dit apparaat bereikt, is zeer indrukwekkend in vergelijking met bestaande methoden, " zegt Ho Jin Ryu, universitair hoofddocent nucleaire en kwantumtechnologie aan het Korea Advanced Institute of Science and Technology. Ryu, die niet bij het onderzoek betrokken was, is van mening dat de demonstratie van herbruikbaarheid van grafeenschuim een ​​"aanzienlijke vooruitgang is, " en dat "de technologie van lokale pH-controle om de depositie van uranium te verbeteren impact zal hebben omdat het wetenschappelijke principe meer in het algemeen kan worden toegepast op de winning van zware metalen uit vervuild water."

De onderzoekers zijn al begonnen met het onderzoeken van bredere toepassingen van hun methode. "Hier is een wetenschap voor, zodat we onze filters kunnen aanpassen om selectief te zijn voor andere zware metalen zoals lood, kwik, en cadmium, ", zegt Li. Hij merkt op dat radium een ​​ander groot gevaar is voor plaatsen in de Verenigde Staten en elders waar de middelen voor een betrouwbare drinkwaterinfrastructuur ontbreken.

"In de toekomst, in plaats van een passieve waterfilter, we zouden een slim filter kunnen gebruiken dat wordt aangedreven door schone elektriciteit dat elektrolytische actie inschakelt, die meerdere giftige metalen zou kunnen extraheren, u vertellen wanneer u het filter moet regenereren, en u kwaliteitsgarantie geven over het water dat u drinkt."