Metaalfilterspons verwijdert lood uit water

Ingenieurs van de Northwestern University hebben een nieuwe spons ontwikkeld die metalen – waaronder giftige zware metalen zoals lood en kritieke metalen zoals kobalt – uit verontreinigd water kan verwijderen, waardoor veilig, drinkbaar water achterblijft.

In proof-of-concept-experimenten testten de onderzoekers hun nieuwe spons op een sterk verontreinigd monster kraanwater, dat meer dan 1 deel per miljoen lood bevatte. Bij één gebruik leidde de gefilterde spons tot onder detecteerbare niveaus.

Na gebruik van de spons konden onderzoekers ook met succes metalen terugwinnen en de spons meerdere cycli hergebruiken. De nieuwe spons is veelbelovend voor toekomstig gebruik als een goedkoop, gebruiksvriendelijk hulpmiddel in waterfilters voor thuis of grootschalige milieusaneringsinspanningen.

De studie werd op 10 mei gepubliceerd in het tijdschrift ACS ES&T Water. Het artikel schetst het nieuwe onderzoek en stelt ontwerpregels vast voor het optimaliseren van vergelijkbare platforms voor het verwijderen en terugwinnen van andere zware metalen, waaronder cadmium, arseen, kobalt en chroom.

“De aanwezigheid van zware metalen in de watervoorziening is een enorme uitdaging voor de volksgezondheid voor de hele wereld”, zegt Vinayak Dravid van Northwestern, senior auteur van de studie en Abraham Harris Professor of Materials Science and Engineering aan Northwestern’s McCormick School of Engineering en directeur van wereldwijde initiatieven bij het International Institute for Nanotechnology. “Het is een gigatonprobleem dat vraagt ​​om oplossingen die eenvoudig, effectief en goedkoop kunnen worden ingezet. Daar komt onze spons om de hoek kijken. Die kan de vervuiling verwijderen en daarna steeds weer opnieuw gebruiken.”

Morsingen opzuigen

Het project bouwt voort op het eerdere werk van Dravid om zeer poreuze sponzen te ontwikkelen voor verschillende aspecten van milieusanering. In mei 2020 onthulde zijn team een ​​nieuwe spons die is ontworpen om olielozingen op te ruimen. De met nanodeeltjes gecoate spons, die nu wordt gecommercialiseerd door de Northwestern spin-off MFNS Tech, biedt een efficiënter, economischer, milieuvriendelijker en herbruikbaar alternatief voor de huidige aanpak van olielozingen.

Maar Dravid wist dat het niet genoeg was.

“Als er een olievlek is, kun je de olie verwijderen”, zei hij. “Maar er zijn ook giftige zware metalen – zoals kwik, cadmium, zwavel en lood – in die lekkages. Dus zelfs als je de olie verwijdert, kunnen sommige van de andere gifstoffen achterblijven.”

Afspoelen en herhalen

Om dit aspect van het probleem aan te pakken, wendde het team van Dravid zich opnieuw tot sponzen bedekt met een ultradunne laag nanodeeltjes. Na veel verschillende soorten nanodeeltjes te hebben getest, ontdekte het team dat een met mangaan gedoteerde goethietcoating het beste werkte. Niet alleen zijn met mangaan gedoteerde nanodeeltjes van goethiet goedkoop te maken, gemakkelijk verkrijgbaar en niet giftig voor de mens, ze hebben ook de eigenschappen die nodig zijn om selectief zware metalen te saneren.

“Je wilt een materiaal met een groot oppervlak, zodat er meer ruimte is voor de loodionen om eraan te kleven”, zegt Benjamin Shindel, een Ph.D. student in het laboratorium van Dravid en de eerste auteur van het artikel. “Deze nanodeeltjes hebben grote oppervlakken en overvloedige reactieve oppervlakteplaatsen voor adsorptie en zijn stabiel, zodat ze vele malen kunnen worden hergebruikt.”

Het team synthetiseerde slurries van met mangaan gedoteerde goethiet-nanodeeltjes, evenals verschillende andere samenstellingen van nanodeeltjes, en bekleedde in de handel verkrijgbare cellulosesponzen met deze slurries. Vervolgens spoelden ze de gecoate sponzen af ​​met water om eventuele losse deeltjes weg te spoelen. De uiteindelijke coatings waren slechts tientallen nanometers dik.

Bij onderdompeling in verontreinigd water, sekwestreerde de met nanodeeltjes gecoate spons effectief loodionen. De Amerikaanse Food and Drug Administration vereist dat gebotteld drinkwater minder dan 5 delen per miljard lood bevat. In filtratieproeven verlaagde de spons de hoeveelheid lood tot ongeveer 2 delen per miljard, waardoor het veilig was om te drinken.

“Daar zijn we heel blij mee”, zei Shindel. “Natuurlijk kan deze prestatie variëren op basis van verschillende factoren. Als je bijvoorbeeld een grote spons in een kleine hoeveelheid water hebt, presteert deze beter dan een kleine spons in een enorm meer.”

Herstel omzeilt mijnbouw

Van daaruit spoelde het team de spons met licht aangezuurd water, dat Shindel vergeleek met “dezelfde zuurgraad van limonade”. De zure oplossing zorgde ervoor dat de spons de loodionen vrijgaf en klaar was voor een ander gebruik. Hoewel de prestatie van de spons na het eerste gebruik afnam, herstelde hij nog steeds meer dan 90% van de ionen tijdens volgende gebruikscycli.

Dit vermogen om zware metalen te verzamelen en vervolgens terug te winnen is bijzonder waardevol voor het verwijderen van zeldzame, kritische metalen, zoals kobalt, uit waterbronnen. Kobalt, een veelgebruikt ingrediënt in lithium-ionbatterijen, is energetisch duur om te ontginnen en gaat gepaard met een waslijst aan milieu- en menselijke kosten.

Als onderzoekers een spons zouden kunnen ontwikkelen die selectief zeldzame metalen, waaronder kobalt, uit water verwijdert, dan zouden die metalen kunnen worden gerecycled tot producten zoals batterijen.

“Voor technologieën voor hernieuwbare energie, zoals batterijen en brandstofcellen, is er behoefte aan metaalterugwinning”, zei Dravid. “Anders is er niet genoeg kobalt in de wereld voor het groeiende aantal batterijen. We moeten manieren vinden om metalen terug te winnen uit zeer verdunde oplossingen. Anders wordt het giftig en giftig, gewoon daar in het water zitten. We kunnen net zo goed maken er iets waardevols mee.”

Gestandaardiseerde schaal

Als onderdeel van het onderzoek stelden Dravid en zijn team nieuwe ontwerpregels op om anderen te helpen hulpmiddelen te ontwikkelen om zich op bepaalde metalen, waaronder kobalt, te richten. Concreet hebben ze vastgesteld welke goedkope en niet-toxische nanodeeltjes ook grote oppervlakken en affiniteiten hebben om aan metaalionen te hechten. Ze bestudeerden de prestaties van coatings van mangaan, ijzer, aluminium en zinkoxide op loodadsorptie. Vervolgens legden ze verbanden tussen de structuren van deze nanodeeltjes en hun absorberende eigenschappen.

Met de naam Nanomaterial Sponge Coatings for Heavy Metals (of “Nano-SCHeMe”), kan het platform voor milieusanering andere onderzoekers helpen onderscheiden welke nanomaterialen het meest geschikt zijn voor bepaalde toepassingen.

“Ik heb veel literatuur gelezen waarin verschillende coatings en adsorbentia worden vergeleken”, zegt Caroline Harms, een niet-gegradueerde student in het laboratorium van Dravid en co-auteur van het papier. “Er is echt een gebrek aan standaardisatie in het veld. Door verschillende soorten nanodeeltjes te analyseren, hebben we een vergelijkende schaal ontwikkeld die voor allemaal werkt. Het kan veel implicaties hebben om het veld vooruit te helpen.”

Dravid en zijn team stellen zich voor dat hun spons kan worden gebruikt in commerciële waterfilters, voor het opruimen van het milieu of als een extra stap in waterwinnings- en behandelingsfaciliteiten.

“Dit werk kan relevant zijn voor problemen met de waterkwaliteit, zowel lokaal als wereldwijd,” zei Shindel. “We willen dit in de wereld zien, waar het een echte impact kan hebben.”