Università della California, Berkeley, i chimici hanno scoperto un modo per semplificare la rimozione dei metalli tossici. come mercurio e boro. durante la desalinizzazione per produrre acqua pulita, mentre allo stesso tempo potenzialmente catturando metalli preziosi, come l'oro.

La desalinizzazione, la rimozione del sale, è solo una delle fasi del processo di produzione di acqua potabile, o acqua per l'agricoltura o l'industria, dall'oceano o dalle acque reflue. Prima o dopo la rimozione del sale, l'acqua deve spesso essere trattata per rimuovere il boro, che è tossico per le piante, e metalli pesanti come arsenico e mercurio, che sono tossici per l'uomo. Spesso, il processo lascia una salamoia tossica che può essere difficile da smaltire.

La nuova tecnica, che possono essere facilmente aggiunti agli attuali processi di dissalazione per elettrodialisi a membrana, rimuove quasi il 100% di questi metalli tossici, producendo una salamoia pura insieme all'acqua pura e isolando i metalli preziosi per un successivo utilizzo o smaltimento.

"Gli impianti di desalinizzazione o di trattamento delle acque richiedono tipicamente una lunga serie di sistemi di pre e post trattamento attraverso i quali deve passare tutta l'acqua, uno per uno, " ha detto Adam Uliana, uno studente laureato alla UC Berkeley che è il primo autore di un documento che descrive la tecnologia. "Ma qui, abbiamo la possibilità di eseguire molti di questi passaggi in uno, che è un processo più efficiente. Fondamentalmente, potresti implementarlo in configurazioni esistenti."

I chimici della UC Berkeley hanno sintetizzato membrane polimeriche flessibili, come quelli attualmente utilizzati nei processi di separazione a membrana, ma nanoparticelle incorporate che possono essere sintonizzate per assorbire ioni metallici specifici:ioni d'oro o di uranio, Per esempio. La membrana può incorporare un singolo tipo di nanoparticelle sintonizzate, se il metallo deve essere recuperato, o diversi tipi, ciascuno sintonizzato per assorbire un diverso metallo o composto ionico, se è necessario rimuovere più contaminanti in un unico passaggio.

La membrana polimerica cucita con nanoparticelle è molto stabile in acqua e ad alte temperature, il che non è vero per molti altri tipi di assorbitori, compresa la maggior parte delle strutture metallo-organiche (MOF), quando incorporato nelle membrane.

I ricercatori sperano di essere in grado di mettere a punto le nanoparticelle per rimuovere altri tipi di sostanze chimiche tossiche, compreso un comune contaminante delle acque sotterranee:PFAS, o sostanze polifluoroalchiliche, che si trovano nella plastica. Il nuovo processo, che chiamano elettrodialisi a cattura ionica, potrebbe anche rimuovere gli isotopi radioattivi dagli effluenti delle centrali nucleari.

Nel loro studio, in uscita questa settimana sulla rivista Scienza , Uliana e l'autore senior Jeffrey Long, Professore di chimica all'Università di Berkeley, dimostrare che le membrane polimeriche sono altamente efficaci se incorporate in sistemi di elettrodialisi a membrana, in cui una tensione elettrica guida gli ioni attraverso la membrana per rimuovere sale e metalli, e la dialisi a diffusione, che viene utilizzato principalmente nella lavorazione chimica.

"L'elettrodialisi è un metodo noto per eseguire la desalinizzazione, e qui lo stiamo facendo in un modo che incorpori queste nuove particelle nel materiale della membrana e catturi ioni tossici mirati o soluti neutri, come il boro, " Long ha detto. "Quindi, mentre stai guidando gli ioni attraverso questa membrana, stai anche decontaminando l'acqua per, dire, mercurio. Ma queste membrane possono anche essere altamente selettive per la rimozione di altri metalli, come rame e ferro, ad alta capacità."

La carenza idrica globale richiede il riutilizzo delle acque reflue

La scarsità d'acqua sta diventando comune in tutto il mondo, anche in California e nel West americano, aggravato dal cambiamento climatico e dalla crescita demografica. Le comunità costiere stanno installando sempre più impianti per desalinizzare l'acqua dell'oceano, ma le comunità dell'entroterra, pure, stanno cercando modi per trasformare le fonti contaminate:acque sotterranee, deflusso agricolo e rifiuti industriali, in pulito, acqua sicura per le colture, case e fabbriche.

Mentre l'osmosi inversa e l'elettrodialisi funzionano bene per rimuovere il sale da fonti d'acqua ad alta salinità, come l'acqua di mare, la salamoia concentrata lasciata può avere alti livelli di metalli, compreso cadmio, cromo, mercurio, guida, rame, zinco, oro e uranio.

Ma l'oceano sta diventando sempre più inquinato dall'industria e dal deflusso agricolo, e le sorgenti interne ancora di più.

"Questo sarebbe particolarmente utile per quelle aree che hanno bassi livelli di contaminanti che sono ancora tossici a questi bassi livelli, così come diversi siti di acque reflue che hanno molti tipi di ioni tossici nei loro flussi, "Ha detto a lungo.

La maggior parte dei processi di desalinizzazione rimuove il sale, che esiste in gran parte come ioni sodio e cloro nell'acqua, utilizzando una membrana ad osmosi inversa, che lascia passare l'acqua, ma non ioni, o un polimero a scambio ionico, che lascia passare gli ioni, ma non acqua. La nuova tecnologia aggiunge semplicemente nanoparticelle porose, ciascuno di circa 200 nanometri di diametro, che catturano ioni specifici consentendo il sodio, cloro e altre molecole cariche non mirate da attraversare.

Long progetta e studia materiali porosi che possono essere decorati con molecole uniche che catturano composti mirati da flussi liquidi o gassosi:anidride carbonica dalle emissioni delle centrali elettriche, Per esempio. Le nanoparticelle utilizzate in queste membrane polimeriche sono chiamate strutture aromatiche porose, o PAF, che sono reti tridimensionali di atomi di carbonio collegati da composti costituiti da più molecole a forma di anello, gruppi chimici denominati composti aromatici. La struttura interna è simile a quella di un diamante, ma con il legame tra gli atomi di carbonio allungato dal linker aromatico per creare molto spazio interno. Varie molecole possono essere attaccate ai linker aromatici per catturare sostanze chimiche specifiche.

Per catturare il mercurio, Per esempio, composti solforati chiamati tioli, che sono noti per legare strettamente il mercurio, sono allegati. L'aggiunta di gruppi di zolfo metilato consente la cattura di rame, e gruppi contenenti ossigeno e zolfo catturano ferro. Le nanoparticelle alterate costituiscono circa il 20% del peso della membrana, ma, perché sono molto porosi, rappresentano circa il 45% del volume.

I calcoli suggeriscono che un chilogrammo della membrana polimerica potrebbe rimuovere essenzialmente tutto il mercurio da 35, 000 litri di acqua contenente 5 parti per milione (ppm) del metallo, prima di richiedere la rigenerazione della membrana.

Uliana ha mostrato nei suoi esperimenti che l'acido borico, un composto di boro tossico per le colture, possono essere rimossi da queste membrane, sebbene con la dialisi per diffusione che si basa su un gradiente di concentrazione per guidare la sostanza chimica, che non è ionica, come i metalli, attraverso la membrana per essere catturati dalle nanoparticelle PAF.

"Abbiamo provato diversi tipi di acqua ad alta salinità, ad esempio, acque sotterranee, acque reflue industriali e anche acque salmastre, e il metodo funziona per ognuna di esse, " ha detto. "Sembra essere versatile per diverse fonti d'acqua; questo era uno dei principi di progettazione che volevamo inserire in questo".

Uliana ha anche dimostrato che le membrane possono essere riutilizzate molte volte, almeno 10, ma probabilmente di più, senza perdere la loro capacità di assorbire i metalli ionici. E le membrane contenenti PAF sintonizzate per assorbire i metalli rilasciano facilmente i loro metalli assorbiti per la cattura e il riutilizzo.

"È una tecnologia dove, a seconda di quali sono le tue impurità tossiche, potresti personalizzare la membrana per far fronte a quel tipo di acqua, " Long ha aggiunto. "Potresti avere problemi con il piombo, dire, nel Michigan, o ferro e arsenico in Bangladesh. Così, prendi di mira le membrane per specifiche fonti d'acqua contaminate. Questi materiali lo abbattono davvero a livelli spesso incommensurabili".