Onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy pakken een wereldwijde wateruitdaging aan met een uniek materiaal dat is ontworpen om niet één, maar twee giftige, verontreinigende zware metalen aan te pakken voor gelijktijdige verwijdering.

ORNL's Santa Jansone-Popova van de Chemical Sciences Division en Ping Li, nu bij Elementis Global, hebben een adsorbens ontdekt met een hoge selectiviteit voor chroom en arseen in reële omstandigheden waar waterbronnen veel chemisch vergelijkbare elementen bevatten.

Resultaten gepubliceerd in Klein toonde aan dat het nieuwe materiaal chroom en arseen vangt in een uitgebalanceerde 2-tegen-1-verhouding. De fundamentele vooruitgang creëert synergie tussen chroom en arseenvangst, zodat hoe meer chroom het materiaal grijpt, hoe meer arseen het ook kan verwijderen.

"Het komt zelden voor dat een adsorbens twee verontreinigende stoffen tegelijkertijd opvangt en snel en efficiënt werkt in realistische scenario's om het brede scala aan watercondities wereldwijd aan te pakken", zei Jansone-Popova.

Chroom en arseen zijn twee van de gevaarlijkste verontreinigende stoffen die wereldwijd in drinkwater worden aangetroffen. Beide zijn giftig en kunnen nadelige gezondheidseffecten veroorzaken, waaronder kanker. Zelfs lage niveaus vormen aanzienlijke risico's voor levende organismen, omdat doses bioaccumuleren, of zich ophopen bij elke blootstelling, en geleidelijk schadelijke hoeveelheden kunnen bereiken. Deze elementen komen van nature voor, maar hun aanwezigheid in het milieu is toegenomen met de industrie en verstedelijking als bijproducten van brede mijnbouw, productie en productie. Emissies hebben invloed op lucht, bodem en water, maar drinkwater is de meest voorkomende blootstellingsroute.

In water lossen deze metalen op om chromaat- en arsenaatoxoanionen of zouten te vormen die chemisch vergelijkbaar zijn met nuttige mineralen die van nature in water aanwezig zijn, waaronder fosfaat, sulfaat, nitraat en bicarbonaat. Chromaat en arsenaat zijn zeer mobiel in water en kunnen verstrekkende gevolgen hebben. Ze degraderen niet en zijn zonder tussenkomst permanent in het milieu. Er zijn gerichte benaderingen nodig om deze metalen te scheiden van onschadelijke minerale zouten die essentieel zijn voor het ecosysteem.

Jansone-Popova maakt deel uit van een ORNL-groep die gespecialiseerd is in de studie van adsorbentia, materialen die zijn ontworpen om specifieke elementen aan te pakken en aan een oppervlak te binden. Adsorbentia hebben brede toepassingen bij het terugwinnen van edele metalen of het verwijderen van verontreinigende stoffen uit het milieu.

"Ze zijn een van de meest veelbelovende opties voor waterbehandeling omdat ze betaalbaar zijn, gemakkelijk kunnen worden ingezet en snel kunnen werken om de watervoorziening te filteren, maar ze moeten worden aangepast voor praktisch gebruik in opruimscenario's," zei Jansone-Popova. "De uitdaging is om materialen te ontwerpen die sporen van schadelijke elementen effectief kunnen isoleren die sterk lijken op de chemische bulksoorten die in water worden aangetroffen."

Bij het ontwerp van adsorptiemiddelen is selectiviteit de sleutel. Omdat het oppervlak van een materiaal weinig ruimte biedt, is het doel om alleen gerichte elementen te pakken en zoveel mogelijk vast te leggen voordat het adsorbens vol raakt en moet worden vervangen of gerecycled. Slecht selectieve materialen missen de precisie om doelen te onderscheiden in gemengde omgevingen, zoals water, waar vergelijkbare elementen strijden om ruimte.

Jansone-Popova leidde eerder het ontwerp van een adsorbens met hoge selectiviteit voor chromaat dat snel en in aanwezigheid van concurrerende soorten werkt om water te ontsmetten. Een studie gepubliceerd in Environmental Science and Technology toonde aan dat het nieuwe materiaal de chromaatconcentraties binnen één minuut 100 keer verlaagde (1 deel per miljoen tot 10 delen per miljard) en een niveau bereikte dat een orde van grootte onder de toegestane limieten lag die zijn vastgesteld door de Amerikaanse Environmental Protection Agency.

De samenwerking met Ping Li bouwt voort op de aanpak om een ​​raamwerk te ontwikkelen voor het vastleggen van zowel chromaat als arsenaat met één materiaal.

"Ons uitgangsmateriaal is zeer effectief in het vangen van chroom in zijn meest giftige vorm, zeswaardig chroom, maar de aanpak was niet ontworpen om selectief te zijn voor arseen," zei Li. "Terwijl deze reactie plaatsvindt, verandert het materiaal, waardoor een platform ontstaat voor nieuwe chemie."

Onderzoekers hebben de oorspronkelijke structuur aangepast om gevangen chroom-6 te reduceren tot een minder giftige toestand, chroom-3. Chroom-3 heeft ook het voordeel dat het een ankerpunt biedt om arsenaat te binden. De nieuwe structuur maakt een chemische reactie mogelijk die stabiele chromaat-arsenaatclusters vormt die sterk aan het oppervlak zijn gebonden. Het resultaat houdt de gifstoffen effectief permanent vast omdat ze niet wegspoelen of loskomen van het filtermateriaal zonder opzettelijke verwijdering door chemische verwerking.

"We hebben gebruik gemaakt van de efficiënte vangst van zeswaardig chroom om een ​​nieuwe architectuur te introduceren die ook kan binden met arseen," zei Li.

Chromaatarsenaat, ooit gebruikt als additief in onder druk behandeld hout, vormde de inspiratie voor de structuur.

Het team heeft de structuur gepatenteerd en werkt samen met medewerkers om de aanpak van andere milieuverontreinigende stoffen uit te breiden.

"Fundamentele ontdekkingen zoals deze kunnen ons helpen giftige verontreinigende stoffen in het milieu te verminderen en te voldoen aan de wettelijke doelstellingen voor schoon water", zei Jansone-Popova. + Verder verkennen

Gemeenschappelijke pijplegering kan kankerverwekkende chemicaliën vormen in drinkwater