Ingenieurs van MIT hebben een nieuwe benadering ontwikkeld om lood of andere zware metalen verontreinigingen uit water te verwijderen, in een proces waarvan ze zeggen dat het veel energiezuiniger is dan enig ander momenteel gebruikt systeem, hoewel er andere in ontwikkeling zijn die in de buurt komen. uiteindelijk, het kan worden gebruikt om met lood verontreinigde watervoorzieningen op huisniveau te behandelen, of om verontreinigd water van sommige chemische of industriële processen te behandelen.

Het nieuwe systeem is de nieuwste in een reeks toepassingen op basis van de eerste bevindingen zes jaar geleden door leden van hetzelfde onderzoeksteam, oorspronkelijk ontwikkeld voor ontzilting van zeewater of brak water, en later aangepast voor het verwijderen van radioactieve verbindingen uit het koelwater van kerncentrales. De nieuwe versie is de eerste dergelijke methode die van toepassing zou kunnen zijn voor de behandeling van huishoudelijke watervoorzieningen, evenals industriële toepassingen.

De bevindingen worden vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Milieuwetenschap en -technologie -Water, in een paper van MIT-afgestudeerde studenten Huanhuan Tian, Mohammed Alkhadra, en Kameron Conforti, en hoogleraar chemische technologie Martin Bazant.

"Het is notoir moeilijk om giftige zware metalen te verwijderen die persistent zijn en aanwezig zijn in veel verschillende waterbronnen, "Zegt Alkhadra. "Het is duidelijk dat er tegenwoordig concurrerende methoden zijn die deze functie vervullen, dus het is een kwestie van welke methode het tegen lagere kosten en betrouwbaarder kan doen."

De grootste uitdaging bij het verwijderen van lood is dat het over het algemeen in zulke kleine concentraties aanwezig is, enorm overtroffen door andere elementen of verbindingen. Bijvoorbeeld, natrium is typisch aanwezig in drinkwater in een concentratie van tientallen delen per miljoen, terwijl lood met slechts enkele delen per miljard zeer giftig kan zijn. De meeste bestaande processen, zoals omgekeerde osmose of distillatie, verwijder alles in één keer, Alkhadra legt het uit. Dit kost niet alleen veel meer energie dan nodig zou zijn voor een selectieve verwijdering, maar het is contraproductief omdat kleine hoeveelheden elementen zoals natrium en magnesium eigenlijk essentieel zijn voor gezond drinkwater.

De nieuwe benadering is het gebruik van een proces dat shock-elektrodialyse wordt genoemd, waarin een elektrisch veld wordt gebruikt om een ​​schokgolf te produceren in een pijp die het verontreinigde water vervoert. De schokgolf scheidt de vloeistof in twee stromen, selectief trekken aan bepaalde elektrisch geladen atomen, of ionen, naar één kant van de stroom door de eigenschappen van de schokgolf af te stemmen op de doelionen, terwijl aan de andere kant een stroom relatief zuiver water achterblijft. De stroom met de geconcentreerde loodionen kan dan eenvoudig worden afgescheiden met behulp van een mechanische barrière in de leiding.

In principe, "dit maakt het proces veel goedkoper, "Bazant zegt, "Omdat de elektrische energie die je erin steekt om de scheiding te doen, echt achter het hoogwaardige doel aan gaat, wat de leiding is. Je verspilt niet veel energie aan het verwijderen van natrium." Omdat het lood in zo'n lage concentratie aanwezig is, "er is niet veel stroom betrokken bij het verwijderen van die ionen, dus dit kan een zeer kosteneffectieve manier zijn."

Het proces heeft nog steeds zijn beperkingen, omdat het alleen op kleine laboratoriumschaal en bij vrij lage stroomsnelheden is aangetoond. Om het proces op te schalen om het praktisch voor thuisgebruik te maken, is verder onderzoek nodig, en grootschaliger industrieel gebruik zal nog langer duren. Maar het kan binnen een paar jaar praktisch zijn voor sommige thuisgebaseerde systemen, zegt Bazant.

Bijvoorbeeld, een huis waarvan de watervoorziening zwaar verontreinigd is met lood, kan een systeem in de kelder hebben dat langzaam een ​​stroom water verwerkt, een tank vullen met loodvrij water om te drinken en te koken, terwijl het meeste water onbehandeld blijft voor gebruik zoals toiletspoeling of het gazon besproeien. Dergelijke toepassingen kunnen geschikt zijn als voorlopige maatregel voor plaatsen als Flint, Michigan, waar het water, meestal verontreinigd door de distributieleidingen, zal vele jaren duren om te herstellen door middel van leidingvervanging.

Het proces kan ook worden aangepast voor bepaalde industriële toepassingen, zoals het reinigen van water dat wordt geproduceerd bij mijnbouw- of booractiviteiten, zodat het behandelde water veilig kan worden afgevoerd of hergebruikt. En in sommige gevallen, dit zou ook een manier kunnen zijn om metalen terug te winnen die water verontreinigen, maar zou in feite een waardevol product kunnen zijn als ze zouden worden afgescheiden; bijvoorbeeld, sommige van dergelijke mineralen kunnen worden gebruikt om halfgeleiders of farmaceutische producten of andere hightechproducten te verwerken, zeggen de onderzoekers.

Directe vergelijkingen van de economie van een dergelijk systeem versus bestaande methoden is moeilijk, Bazant zegt, omdat in filtratiesystemen, bijvoorbeeld, de kosten zijn voornamelijk voor het vervangen van de filtermaterialen, die snel verstopt raken en onbruikbaar worden, overwegende dat in dit systeem de kosten voornamelijk voor de doorlopende energie-input zijn, wat erg klein is. Op dit punt, het shock-elektrodialysesysteem is al enkele weken in gebruik, maar het is te vroeg om de werkelijke levensduur van zo'n systeem in te schatten, hij zegt.

Het proces ontwikkelen tot een schaalbaar commercieel product zal enige tijd in beslag nemen, maar "we hebben laten zien hoe dit kan worden gedaan, vanuit technisch oogpunt, " zegt Bazant. "Het belangrijkste probleem zou zijn aan de economische kant, " voegt hij eraan toe. Dat omvat het uitzoeken van de meest geschikte applicaties en het ontwikkelen van specifieke configuraties die aan die toepassingen voldoen. "We hebben een redelijk idee van hoe dit op te schalen. Het is dus een kwestie van de middelen hebben, " wat misschien een rol is voor een startend bedrijf in plaats van een academisch onderzoekslaboratorium, hij voegt toe.

"Ik vind dit een spannend resultaat, " hij zegt, "omdat het laat zien dat we deze belangrijke toepassing" van het zuiveren van lood uit drinkwater echt kunnen aanpakken. Bijvoorbeeld, hij zegt, er zijn nu plaatsen die zeewater ontzilten met behulp van omgekeerde osmose, maar ze moeten dit dure proces twee keer achter elkaar uitvoeren, eerst het zout eruit halen, en dan weer om de laagwaardige maar zeer giftige verontreinigingen zoals lood te verwijderen. Dit nieuwe proces kan worden gebruikt in plaats van de tweede ronde van omgekeerde osmose, tegen een veel lager energieverbruik.

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.