Новый метод удаления тяжелых металлов из питьевой воды

Инженеры Массачусетского технологического института разработали новый подход к удалению свинца или других тяжелых металлов из воды, который, по их словам, намного более энергоэффективен, чем любая другая система, используемая в настоящее время, хотя есть и другие, близкие к разработке. В конечном итоге его можно использовать для очистки загрязненной свинцом воды на бытовом уровне или для очистки воды, загрязненной в результате некоторых химических или промышленных процессов.

Новая система является последней из серии приложений, основанных на первоначальных открытиях шесть лет назад членами той же исследовательской группы, первоначально разработанной для опреснения морской или солоноватой воды, а затем адаптированной для удаления радиоактивных соединений из охлаждающей воды ядерной энергетики. растения. Новая версия является первым подобным методом, который может быть применим для очистки воды в домашних условиях, а также в промышленных целях.

Результаты были опубликованы 22 сентября 2021 года в журнале Environmental Science and Technology — Water , в статье аспирантов Массачусетского технологического института Хуанхуан Тиан, Мохаммада Альхадры и Камерона Конфорти, а также профессора химической инженерии Мартина Базанта.

«Известно, что трудно удалить токсичный тяжелый металл, который стойкий и присутствует во многих различных источниках воды», — говорит Альхадра. «Очевидно, что сегодня существуют конкурирующие методы, которые выполняют эту функцию, поэтому вопрос в том, какой метод может сделать это с меньшими затратами и более надежно».

Проблемы при удалении свинца из воды

Самая большая проблема при попытке удалить свинец заключается в том, что он обычно присутствует в таких крошечных концентрациях, которые значительно превышают другие элементы или соединения. Например, натрий обычно присутствует в питьевой воде в концентрации десятков частей на миллион, тогда как свинец может быть высокотоксичным — всего несколько частей на миллиард. Альхадра объясняет, что большинство существующих процессов, таких как обратный осмос или дистилляция, удаляют все сразу. Это не только требует гораздо больше энергии, чем необходимо для выборочного удаления, но и контрпродуктивно, поскольку небольшие количества таких элементов, как натрий и магний, действительно необходимы для здоровой питьевой воды.

• Новый подход использует процесс, называемый ударным электродиализом, в котором электрическое поле используется для создания ударной волны внутри электрически заряженного пористого материала, несущего загрязненную воду.
• Ударная волна распространяется от одной стороны к другой по мере увеличения напряжения, оставляя после себя зону, в которой ионы металлов истощены, и разделяя поток сырья на рассол и свежий поток.
• Процесс приводит к 95-процентному снижению содержания свинца в исходящем свежем потоке.

В принципе, «это значительно удешевляет процесс, — говорит Базант, — потому что электрическая энергия, которую вы вкладываете для разделения, действительно идет на достижение высокой цели, а именно на опережение. Вы не тратите много энергии на удаление натрия ». Поскольку свинец присутствует в такой низкой концентрации, «удаление этих ионов не требует большого тока, поэтому это может быть очень рентабельным способом».

Ограничения в использовании нового метода

Этот процесс все еще имеет свои ограничения, поскольку он был продемонстрирован только в небольших лабораторных масштабах и при довольно низких скоростях потока. Для увеличения масштабов этого процесса, чтобы сделать его практичным для домашнего использования, потребуются дальнейшие исследования, а более крупномасштабное промышленное использование займет еще больше времени. Но это может стать практичным в течение нескольких лет для некоторых домашних систем, говорит Базант.

Например, дом, водоснабжение которого сильно загрязнено свинцом, может иметь в подвале систему, которая медленно обрабатывает поток воды, наполняя резервуар бессвинцовой водой для питья и приготовления пищи, оставляя большую часть воды необработанный для использования, например, для смыва туалета или полива газона. Такое использование может быть подходящим в качестве временной меры для таких мест, как Флинт, штат Мичиган, где воду, в основном загрязненную распределительными трубами, потребуется много лет, чтобы восстановить ее путем замены труб.

Процесс также может быть адаптирован для некоторых промышленных применений, таких как очистка воды, производимой при добыче полезных ископаемых или буровых работ, так что очищенную воду можно безопасно утилизировать или повторно использовать.

А в некоторых случаях это также может обеспечить способ извлечения металлов, загрязняющих воду, но на самом деле может быть ценным продуктом, если их отделить; например, некоторые такие минералы могут быть использованы для обработки полупроводников, фармацевтических препаратов или других высокотехнологичных продуктов, говорят исследователи.

По словам Базанта, прямое сравнение экономической эффективности такой системы с существующими методами затруднительно, поскольку, например, в системах фильтрации затраты в основном связаны с заменой фильтрующих материалов, которые быстро забиваются и становятся непригодными для использования, тогда как в этой системе затраты в основном предназначены для постоянного ввода энергии, которая очень мала. На данный момент система шокового электродиализа эксплуатируется в течение нескольких недель, но еще слишком рано оценивать реальную долговечность такой системы, говорит он.

На превращение процесса в масштабируемый коммерческий продукт потребуется некоторое время, но «мы показали, как это можно сделать с технической точки зрения», — говорит Базант. «Главный вопрос будет в экономической сфере», — добавляет он. Это включает в себя определение наиболее подходящих приложений и разработку конкретных конфигураций, которые будут соответствовать этим применениям. «У нас есть разумное представление о том, как это увеличить. Так что это вопрос наличия ресурсов », что может быть ролью начинающей компании, а не академической исследовательской лаборатории, — добавляет он.

«Я думаю, что это захватывающий результат, — говорит он, — потому что он показывает, что мы действительно можем решить эту важную задачу» очистки питьевой воды от свинца. Например, говорит он, сейчас есть места, где опреснение морской воды проводят с использованием обратного осмоса, но им приходится запускать этот дорогостоящий процесс дважды подряд, сначала для удаления соли, а затем еще раз для удаления низкоуровневых, но очень высоких токсичных загрязнителей, такие как свинец. Этот новый процесс можно использовать вместо второго цикла обратного осмоса при гораздо меньших затратах энергии.

Источник

Метки: вода