Новый подход описан в журнале Energy and Environmental Science, в статье постдока Массачусетского технологического института Сяо Су, профессора химического машиностроения Ральфа Ландау Т. Алана Хаттона и пяти других сотрудников Массачусетского технологического института и Дармштадского технического университета в Германии.В системе используется новый метод, основанный на электрохимическом процессе для выборочного удаления органических загрязнителей, таких как пестициды, химические отходы и фармацевтические препараты, даже если они присутствуют в небольших, но опасных концентрациях. Этот подход также учитывает ключевые ограничения традиционных методов электрохимического разделения, такие как колебания кислотности и потери производительности, которые могут произойти в результате конкурирующих поверхностных реакций.
Современные системы борьбы с такими разбавленными загрязнителями включают мембранную фильтрацию, которая является дорогостоящей и имеет ограниченную эффективность при низких концентрациях, а также электродиализ и емкостную деионизацию, которые часто требуют высоких напряжений, которые имеют тенденцию вызывать побочные реакции, говорит Су. Этим процессам также мешает избыток фоновых солей.
В новой системе вода протекает между химически обработанными или «функционализированными» поверхностями, которые служат положительными и отрицательными электродами. Эти поверхности электродов покрыты так называемыми фарадеевскими материалами, которые могут вступать в реакции, становясь положительно или отрицательно заряженными.
Эти активные группы можно настроить так, чтобы они прочно связывались с определенным типом молекулы загрязнителя, как команда продемонстрировала, используя ибупрофен и различные пестициды. Исследователи обнаружили, что этот процесс может эффективно удалять такие молекулы даже в миллионных долях.
Предыдущие исследования обычно фокусировались на проводящих электродах или функционализированных пластинах только на одном электроде, но они часто достигают высокого напряжения, которое приводит к образованию загрязняющих соединений. Используя соответствующим образом функционализированные электроды как на положительной, так и на отрицательной стороне, в асимметричной конфигурации, исследователи почти полностью устранили эти побочные реакции.
Кроме того, эти асимметричные системы позволяют одновременно селективно удалять как положительные, так и отрицательные токсичные ионы, как команда продемонстрировала с гербицидами паракват и хинхлорак.По словам Су, такой же селективный процесс следует применять и для извлечения ценных соединений на химическом или фармацевтическом производстве, где в противном случае они могли бы быть потрачены впустую. "Система может быть использована для восстановления окружающей среды, для удаления токсичных органических химикатов или на химическом заводе для восстановления продуктов с добавленной стоимостью, поскольку все они будут полагаться на один и тот же принцип для удаления неосновных ионов из сложной многоионной системы. . "По словам Су, система по своей природе очень избирательна, но на практике она, вероятно, будет состоять из нескольких этапов для работы с различными соединениями последовательно, в зависимости от конкретного применения. «Такие системы в конечном итоге могут быть полезны, — предполагает он, — для систем очистки воды в отдаленных районах в развивающихся странах, где загрязнение пестицидами, красителями и другими химическими веществами часто является проблемой в водоснабжении. Высокоэффективные, работающие от электричества система может работать от солнечных батарей, например, в сельской местности ».По словам Хаттона, в отличие от мембранных систем, требующих высокого давления, и других электрохимических систем, работающих при высоком напряжении, новая система работает при относительно невысоких значениях напряжения и давления.
И, как он отмечает, в отличие от обычных ионообменных систем, где для высвобождения захваченных соединений и регенерации адсорбентов требуется добавление химикатов, «в нашем случае вы можете просто щелкнуть выключателем», чтобы достичь того же результата, переключив полярность электродов.Исследовательская группа уже получила ряд наград за постоянное развитие технологий очистки воды, включая гранты от конкурсов J-WAFS Solutions и Massachusetts Clean Energy Catalyst, а исследователи стали главными победителями прошлогодней премии MIT Water Innovation Prize.
Исследователи подали заявку на патент на новый процесс. «Мы определенно хотим реализовать это в реальном мире», — говорит Хаттон. Тем временем они работают над расширением масштабов своих прототипов устройств в лаборатории и повышением химической стойкости.