Nitraat is een hinderlijke grondwaterverontreiniging die vooral wordt veroorzaakt door afvloeiing van kunstmest op landbouwgronden. Veel putten in landbouwgebieden overschrijden de EPA-limiet voor nitraat in drinkwater, en zonder een economische behandelingsoptie is het water ongeschikt voor drinkwater.

Maar onderzoekers van Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) en Stanford University hebben een technologie ontwikkeld die nitraat selectief uit water kan verwijderen. het behoud van heilzame mineralen en het drastisch verlagen van de behandelingskosten in vergelijking met andere zuiveringsmethoden, zoals omgekeerde osmose.

"Onze technologie kan worden opgeschaald van onder de gootsteen naar de grootte van een gemeentelijke installatie en zal de beschikbaarheid van zoetwater vergroten in gebieden met onvoldoende middelen. " zei LLNL materiaalwetenschapper Patrick Campbell, co-hoofdauteur van een paper die online en in een toekomstige omslageditie van het tijdschrift verschijnt Milieuwetenschap en -technologie .

De verontreiniging van watervoorraden met nitraat is een groeiend en aanzienlijk probleem, vooral in agrarische gebieden. Dit realiserend, het team gebruikte capacitieve deïonisatie-elektroden gemaakt van ultramicroporeuze koolstof met poriën van minder dan één nanometer die perfect zijn voor het verwijderen van nitraatmoleculen.

Capacitieve deïonisatie (CDI) is een waterbehandelingstechnologie die kan worden gebruikt om zout uit brak water met een laag zoutgehalte te verwijderen. Naast algemene ontzilting, CDI kan worden gebruikt voor de selectieve verwijdering van specifieke ionische verontreinigingen. Een van de belangrijkste verontreinigingen is nitraat, die door het Amerikaanse Environmental Protection Agency is gereguleerd tot een maximaal verontreinigingsniveau in drinkwater van 10 milligram per liter.

Echter, studies suggereren dat de nitraatconcentratie in het grondwater met 1-3 milligram per liter per jaar toeneemt, waardoor de ontwikkeling van effectieve behandelmethoden steeds belangrijker wordt.

"Het is redelijk om te verwachten dat een poriegrootteverdeling van uitsluitend smalle poriën gewone ongewenste ionen zou uitfilteren ten gunste van selectief adsorberen van nitraat, " zei Michael Stadermann, LLNL materiaalwetenschapper en co-hoofdauteur van het artikel.

Om selectiviteit aan te tonen, het team koos voor chloride en sulfaat omdat ze vaak worden aangetroffen in afvloeiend water, en, samen met nitraat, overspannen een grote dwarsdoorsnede van de eigenschappen van gehydrateerde ionen. Ze ontdekten dat de elektrode nitraat veel effectiever uit water verwijderde dan chloride en sulfaat.

Om beter te begrijpen waarom nitraat bij voorkeur wordt verwijderd boven sulfaat en chloride, het team voerde eerste-principes moleculaire dynamische simulaties uit van chloride, nitraat- en sulfaationen opgelost in bulkwater.

"Deze high-fidelity-simulaties geven inzicht in de hydratatiestructuur van elk ion, inclusief geometrie en solvatatiesterkte, die direct gerelateerd kan zijn aan de ionenselectiviteit waargenomen in de experimenten, ' zei Campbell.