Некоторые виды загрязнения воды, такие как цветение водорослей и пластмасса, загрязняющая реки, озера и морскую среду, находятся на виду. Но другие загрязнители не так очевидны, что делает их воздействие потенциально более опасным. Среди этих невидимых веществ есть уран. Выщелачивающийся в водные ресурсы при добыче полезных ископаемых, на свалках ядерных отходов или из естественных подземных отложений, этот элемент теперь можно найти вытекающим из кранов по всему миру.
Только в Соединенных Штатах «от загрязнения ураном пострадали многие районы, в том числе водоносные горизонты Высоких равнин и Центральной долины, которые снабжают питьевой водой 6 миллионов человек», — говорит Ахмед Сами Хелал, постдоктор Департамента ядерной науки и техники. Это заражение представляет собой непосредственную опасность. «Даже небольшие концентрации вредны для здоровья человека», — говорит Цзюй Ли , профессор ядерных наук и инженерии Battelle Energy Alliance и профессор материаловедения и инженерии.
Теперь группа под руководством Ли разработала высокоэффективный метод удаления урана из питьевой воды. Применяя электрический заряд к пене оксида графена, исследователи могут захватить уран в растворе, который выпадает в виде сконденсированного твердого кристалла. Пену можно использовать повторно до семи раз без потери своих электрохимических свойств. «В течение нескольких часов с помощью нашего процесса можно очистить большое количество питьевой воды ниже предела EPA для урана», — говорит Ли.
Документ , описывающий эту работу был опубликован на этой неделе Advanced Materials. Двумя первыми соавторами являются Хелал и Чао Ван, постдок из Массачусетского технологического института во время исследования, который сейчас работает в Школе материаловедения и инженерии Университета Тунцзи в Шанхае. В исследовании также приняли участие исследователи из Аргоннской национальной лаборатории, Тайваньского национального университета Чиаотун и Токийского университета. Агентство по уменьшению угрозы обороны (Министерство обороны США) профинансировало более поздние этапы этой работы.
Нацеленность на загрязняющие вещества
Проект, начатый три года назад, начался как попытка найти более эффективные подходы к очистке окружающей среды от тяжелых металлов на горнодобывающих предприятиях. На сегодняшний день методы восстановления таких металлов, как хром, кадмий, мышьяк, свинец, ртуть, радий и уран, оказались ограниченными и дорогими. «Эти методы очень чувствительны к органическим веществам в воде и плохо отделяют примеси тяжелых металлов», — объясняет Хелал. «Таким образом, они требуют длительного времени эксплуатации, высоких капитальных затрат и в конце добычи образуют более токсичный осадок».
Группе уран казался особенно привлекательной целью. Полевые испытания, проведенные Геологической службой США и Агентством по охране окружающей среды (EPA), выявили нездоровые уровни урана, поступающего в резервуары и водоносные системы из природных горных источников на северо-востоке США, из прудов и ям, хранящих старое ядерное оружие и топливо в таких местах, как Хэнфорд. , Вашингтон, и от горнодобывающих предприятий, расположенных во многих западных штатах. Этот вид заражения распространен и во многих других странах. Тревожное количество этих участков показывает концентрации урана, близкие или превышающие рекомендованный EPA потолок в 30 частей на миллиард (ppb) — уровень, связанный с повреждением почек, риском рака и нейроповеденческими изменениями у людей.
Важнейшая задача заключалась в том, чтобы найти практический процесс восстановления, чувствительный исключительно к урану, позволяющий извлекать его из раствора без образования токсичных остатков. И хотя более ранние исследования показали, что электрически заряженное углеродное волокно может фильтровать уран из воды, результаты были неполными и неточными.
Ван удалось решить эти проблемы — на основе ее исследования поведения графеновой пены, используемой для литий-серных батарей. «Физические характеристики этой пены были уникальными из-за ее способности привлекать на свою поверхность определенные химические вещества», — говорит она. «Я думал, что лиганды в пене графена будут хорошо работать с ураном».
Просто, эффективно и чисто
Команда приступила к работе над преобразованием пены графена в эквивалент уранового магнита. Они узнали, что, посылая электрический заряд через пену, расщепляя воду и выделяя водород, они могут увеличить местный pH и вызвать химическое изменение, которое вытягивает ионы урана из раствора. Исследователи обнаружили, что уран прирастает к поверхности пены, где образует невиданный ранее кристаллический гидроксид урана. При изменении электрического заряда минерал, напоминающий рыбью чешую, легко соскользнул с пены.
Чтобы получить правильный химический состав и электролиз, потребовались сотни попыток. «Мы продолжали менять функциональные химические группы, чтобы они работали правильно», — говорит Хелал. «Изначально пена была довольно хрупкой и имела тенденцию к распаду, поэтому нам нужно было сделать ее более прочной и долговечной», — говорит Ван.
По словам Ли, этот процесс фильтрации урана является простым, эффективным и чистым: «Каждый раз, когда он используется, наша пена может улавливать в четыре раза больше собственного веса урана, и мы можем достичь экстракционной способности 4000 мг на грамм, что является значительное улучшение по сравнению с другими методами », — говорит он. «Мы также сделали большой прорыв в возможности повторного использования, потому что пена может пройти семь циклов без потери эффективности извлечения». Пена графена также работает в морской воде, где она снижает концентрацию урана с 3 частей на миллион до 19,9 частей на миллиард, показывая, что другие ионы в рассоле не мешают фильтрации.
Команда считает, что недорогое и эффективное устройство может стать новым видом домашнего фильтра для воды, подходящим для смесителей, как у коммерческих брендов. «В некоторых из этих фильтров уже есть активированный уголь, поэтому, возможно, мы могли бы их модифицировать, добавить электричество низкого напряжения для фильтрации урана», — говорит Ли.
«Добыча урана, достигаемая с помощью этого устройства, очень впечатляет по сравнению с существующими методами», — говорит Хо Джин Рю, доцент кафедры ядерной и квантовой инженерии Корейского передового института науки и технологий. Рю, который не участвовал в исследовании, считает, что демонстрация возможности повторного использования графеновой пены является «значительным достижением» и что «технология местного контроля pH для увеличения осаждения урана будет иметь большое значение, поскольку научный принцип может применяться в более широком смысле. к извлечению тяжелых металлов из загрязненной воды ».
Исследователи уже начали исследовать более широкие области применения своего метода. «Это наука, поэтому мы можем модифицировать наши фильтры, чтобы они были селективными по отношению к другим тяжелым металлам, таким как свинец, ртуть и кадмий», — говорит Ли. Он отмечает, что радий представляет собой еще одну серьезную опасность для регионов в Соединенных Штатах и других местах, где не хватает ресурсов для надежной инфраструктуры питьевой воды.
«В будущем вместо пассивного фильтра для воды мы могли бы использовать интеллектуальный фильтр, работающий от чистого электричества, который включает электролитическое действие, которое может извлекать несколько токсичных металлов, сообщать вам, когда регенерировать фильтр, и давать вам гарантию качества. воду, которую вы пьете ».
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК