В ходе экспериментов, подтверждающих концепцию, исследователи протестировали свою новую губку на сильно загрязненном образце водопроводной воды, содержащей более 1 части свинца на миллион. При однократном использовании отфильтрованный губкой свинец опускается ниже допустимого уровня.

После использования губки исследователи также смогли успешно извлекать металлы и повторно использовать губку в течение нескольких циклов. Новая губка перспективна для использования в будущем в качестве недорогого и простого в использовании инструмента в домашних фильтрах для воды или в крупномасштабных мероприятиях по восстановлению окружающей среды.

Исследование было опубликовано вчера поздно вечером (10 мая) в журнале Система кондиционирования воды. В документе излагаются результаты нового исследования и устанавливаются правила проектирования для оптимизации аналогичных платформ для удаления - и рекуперации - токсинов других тяжелых металлов, включая кадмий, мышьяк, кобальт и хром.

"Присутствие тяжелых металлов в водоснабжении является огромной проблемой общественного здравоохранения для всего земного шара", - сказал Винаяк Дравид из Northwestern, старший автор исследования. "Это гигатонная проблема, требующая решений, которые могут быть внедрены легко, эффективно и недорого. Вот тут-то и пригодится наша губка. Он может удалять загрязнения, а затем использоваться снова и снова."

Дравид - профессор материаловедения и инженерии Абрахама Харриса в инженерной школе Маккормика Северо-Западного университета и директор по глобальным инициативам Международного института нанотехнологий.

Замачивание разливов

Проект основан на предыдущей работе Дравида по разработке высокопористых губок для различных аспектов восстановления окружающей среды. В мае 2020 года его команда представила новую губку, предназначенную для очистки от разливов нефти. Губка, покрытая наночастицами, которую в настоящее время коммерциализирует дочерняя компания Northwestern MFNS Tech, предлагает более эффективную, экономичную, экологичную и многоразовую альтернативу существующим подходам к ликвидации разливов нефти.

Но Дравид знал, что этого недостаточно.

"Когда происходит разлив нефти, вы можете удалить масло", - сказал он. "Но в этих разливах также содержатся токсичные тяжелые металлы, такие как ртуть, кадмий, сера и свинец. Таким образом, даже когда вы удалите масло, некоторые другие токсины могут остаться.

Промойте и повторите процедуру

Чтобы решить этот аспект проблемы, команда Дравида снова обратилась к губкам, покрытым ультратонким слоем наночастиц. Протестировав множество различных типов наночастиц, команда обнаружила, что гетитовое покрытие, легированное марганцем, работает лучше всего. Наночастицы гетита, легированные марганцем, не только недороги в изготовлении, легкодоступны и нетоксичны для человека, они также обладают свойствами, необходимыми для избирательного удаления тяжелых металлов.

"Вам нужен материал с большой площадью поверхности, чтобы ионам свинца было больше места для прилипания к нему", - сказал Бенджамин Шиндель, аспирант лаборатории Дравида и первый автор статьи. "Эти наночастицы имеют большую площадь поверхности и обилие реакционноспособных участков на поверхности для адсорбции и стабильны, поэтому их можно многократно использовать повторно".

Команда синтезировала суспензии наночастиц гетита, легированных марганцем, а также несколько других композиций наночастиц и покрыла этими суспензиями имеющиеся в продаже целлюлозные губки. Затем они ополоснули губки с покрытием водой, чтобы смыть все отслоившиеся частицы. Конечные покрытия имели толщину всего в десятки нанометров.

При погружении в загрязненную воду губка, покрытая наночастицами, эффективно улавливала ионы свинца. Управление по контролю за продуктами питания и лекарствами США требует, чтобы содержание свинца в питьевой воде в бутылках было ниже 5 частей на миллиард. В ходе испытаний на фильтрацию губка снизила содержание свинца примерно до 2 частей на миллиард, что сделало ее безопасной для питья.

"Мы действительно довольны этим", - сказал Шиндел. "Конечно, эти показатели могут варьироваться в зависимости от нескольких факторов. Например, если у вас есть большая губка в небольшом объеме воды, она будет работать лучше, чем крошечная губка в огромном озере."

Восстановление происходит в обход добычи полезных ископаемых

Затем команда ополоснула губку слегка подкисленной водой, которую Шиндель сравнил с "имеющей ту же кислотность, что и лимонад". Кислотный раствор заставил губку высвободить ионы свинца и быть готовой к повторному использованию. Несмотря на то, что эффективность губки снизилась после первого использования, она по-прежнему восстанавливала более 90% ионов во время последующих циклов использования.

Эта способность собирать и затем извлекать тяжелые металлы особенно ценна для удаления редких, критически важных металлов, таких как кобальт, из источников воды. Кобальт, являющийся распространенным ингредиентом литий-ионных аккумуляторов, является энергетически дорогостоящим при добыче и сопровождается целым рядом экологических и человеческих издержек.

Если бы исследователи смогли разработать губку, которая избирательно удаляет редкие металлы, включая кобальт, из воды, то эти металлы можно было бы перерабатывать в такие продукты, как батарейки.

"Для технологий использования возобновляемых источников энергии, таких как аккумуляторы и топливные элементы, существует необходимость в рекуперации металлов", - сказал Дравид. "В противном случае в мире не хватит кобальта для растущего числа аккумуляторов. Мы должны найти способы извлечения металлов из очень разбавленных растворов. В противном случае она становится ядовитой, просто находясь в воде. С таким же успехом мы могли бы сделать из этого что-нибудь ценное."

Стандартизированная шкала

В рамках исследования Дравид и его команда установили новые правила проектирования, чтобы помочь другим разрабатывать инструменты для обработки конкретных металлов, включая кобальт. В частности, они точно определили, какие недорогие и нетоксичные наночастицы также обладают большой площадью поверхности и способностью прилипать к ионам металлов. Они изучали эффективность покрытий из оксидов марганца, железа, алюминия и цинка при адсорбции свинца. Затем они установили взаимосвязь между структурами этих наночастиц и их адсорбционными свойствами.

Платформа для восстановления окружающей среды, получившая название "Наноматериальные губчатые покрытия для тяжелых металлов" (или "Нанос-схема"), может помочь другим исследователям определить, какие наноматериалы лучше всего подходят для конкретных применений.

"Я прочитала много литературы, в которой сравниваются различные покрытия и адсорбенты", - говорит Кэролайн Хармс, студентка бакалавриата лаборатории Дравида и соавтор статьи. "В этой области действительно не хватает стандартизации. Проанализировав различные типы наночастиц, мы разработали сравнительную шкалу, которая фактически работает для всех из них. Это могло бы иметь большое значение для продвижения вперед в этой области".

Дравид и его команда предполагают, что их губку можно было бы использовать в коммерческих фильтрах для воды, для очистки окружающей среды или в качестве дополнительного шага в системах рекультивации и очистки воды.

"Эта работа может иметь отношение к проблемам качества воды как на местном, так и на глобальном уровнях", - сказал Шиндель. "Мы хотим увидеть это в мире, где это может оказать реальное влияние".

У Dravid и Northwestern есть финансовые интересы (акции, роялти) в MFNS Tech.