Wanneer giftige zware metalen zoals lood en cadmium ontsnappen uit fabrieken of mijnen, ze kunnen de nabijgelegen grond vervuilen. Zonder gemakkelijke manieren om deze verontreinigingen te verwijderen, velden moeten worden afgezet om te voorkomen dat deze gifstoffen in de voedselketen terechtkomen waar ze een bedreiging vormen voor de gezondheid van mens en dier.

Volgens de Environmental Protection Agency, zware metalen zijn gevonden op duizenden locaties in het hele land. Terwijl sommige zijn opgeruimd door een combinatie van federale, staats- en particuliere inspanningen, er blijft behoefte aan nieuwe technologieën om verontreiniging door zware metalen aan te pakken.

Nu heeft een onderzoeksteam onder leiding van Stanford-materiaalwetenschapper Yi Cui een manier bedacht om zware metalen van verontreinigde grond te wassen met behulp van een chemisch proces dat een beetje lijkt op het zetten van koffie.

Zoals ze 4 juni beschrijven in Natuurcommunicatie , de onderzoekers begonnen met het spoelen van verontreinigde grond met een mengsel van water en een chemische stof die zware metalen aantrekt. Als dat mengsel door de grond sijpelt, de chemische stof trekt zware metalen los. De teamleden verzamelden vervolgens dit giftige brouwsel en lieten het door een elektrochemisch filter lopen dat de zware metalen uit het water ving. Op deze manier zuiverden ze de grond van zware metalen en recyclen ze het mengsel van water en chemicaliën om door meer verontreinigde grond te sijpelen.

"Dit is een nieuwe benadering van bodemsanering, " zei Cui, die een professor in materiaalkunde en techniek en fotonenwetenschap is. "Onze volgende stap is een pilottest om ervoor te zorgen dat wat in het laboratorium werkt, praktisch is in het veld, en om erachter te komen hoeveel dit proces gaat kosten."

Tot dusver, zijn team heeft met lood en cadmium verontreinigde bodems gereinigd, twee voorkomende en gevaarlijke gifstoffen, evenals met koper, wat alleen in hoge concentraties gevaarlijk is. Cui gelooft dat dit proces van chemische reiniging en elektrochemische filtering zal werken met andere gevaarlijke zware metalen zoals kwik en chroom, maar verdere laboratoriumexperimenten zijn nodig om dat aan te tonen.

Geen offerplanten meer

Cui zei dat het project twee jaar geleden begon toen hij en afgestudeerde student Jinwei Xu brainstormden over hoe het basisprobleem op te lossen:zware metalen binden zich aan de bodem en worden vrijwel onlosmakelijk met elkaar verbonden. Vandaag, Cui zei, opruimen kan inhouden dat verontreinigde gronden worden opgegraven en ergens worden vastgelegd. Landbouwonderzoekers hebben ook fytoremediatietechnieken ontwikkeld:het kweken van offerplanten in verontreinigde grond om zware metalen te absorberen, vervolgens oogsten deze gewassen en brengen ze naar een extractie- en verwijderingsfaciliteit. Maar fytoremediatie kan vele jaren van herhaalde oogsten vergen.

Op zoek naar een snelle, kosteneffectieve manier om zware metalen uit verontreinigde velden te winnen, de onderzoekers probeerden giftige bodemmonsters te wassen met gewoon water. Ze realiseerden zich al snel dat gewoon water de chemische binding tussen de zware metalen en de grond niet kon verbreken. Ze hadden een additief nodig om de verontreinigingen los te wrikken. Ze vonden het antwoord in een veelgebruikte chemische stof die bekend staat onder de initialen:EDTA.

Achteraf gezien, EDTA was de voor de hand liggende keuze omdat dezelfde chemische stof wordt gebruikt voor de behandeling van met lood of kwik vergiftigde patiënten. Negatief geladen EDTA bindt zo sterk aan positief geladen zware metaaldeeltjes dat het lood of kwik uit de weefsels van de patiënt trekt. De onderzoekers redeneerden dat, wanneer opgelost in water, De negatieve haken van EDTA zouden zware metalen uit de bodem losrukken. Experimenten hebben dit uitgewezen. Wanneer met EDTA behandeld water door verontreinigde grond sijpelde, het droeg de zware metalen weg.

Maar het werk van het team was maar half gedaan. De grond was schoon, maar het behandelde water was nog steeds giftig. Ze hadden een manier nodig om de EDTA te scheiden van de zware metalen in het spoelwater en die gifstoffen voor eens en voor altijd op te vangen.

Isoleren van zware metalen

De wetenschappers wisten dat EDTA sterk negatief bleef, zelfs nadat het een positief geladen metaaldeeltje had ingevangen. Dus, de onderzoekers bouwden een zeef met de elektrische en chemische eigenschappen om de negatief geladen EDTA en positief geladen zware metalen uit elkaar te trekken. Het resultaat was geïsoleerde zware metalen en een mengsel van water en EDTA, klaar om meer grond te zuiveren.

Naast lood en cadmium, de onderzoekers testten het proces op koper, wat alleen in hoge concentraties gevaarlijk is. Vervolgens wil Cui het experiment uitvoeren op andere zware metalen zoals kwik, die zo giftig zijn dat ze een speciale behandeling nodig hebben om de onderzoekers te beschermen. Maar hij denkt dat de chemie zo goed is dat hij zeker is van succes in het lab. De grotere vraag is of het proces kan worden opgeschaald om tonnen verontreinigde grond te behandelen. De onderzoekers hebben geprobeerd het proces te patenteren via het Stanford Office of Technology Licensing en zouden graag een mogelijkheid vinden om een ​​proefproject uit te voeren in een besmet veld.

"We hebben echt geen goede saneringstechnologie voor zware metalen, "Zei Cui. "Als dit op grote schaal praktisch blijkt te zijn, zal het een belangrijke vooruitgang zijn."