Alcuni tipi di inquinamento dell'acqua, come fioriture di alghe e plastica che inquinano i fiumi, laghi, e ambienti marini, mentire in bella vista. Ma altri contaminanti non sono così facilmente evidenti, il che rende il loro impatto potenzialmente più pericoloso. Tra queste sostanze invisibili c'è l'uranio. Lisciviazione nelle risorse idriche dalle operazioni minerarie, siti di scorie nucleari, o da depositi naturali sotterranei, l'elemento può ora essere trovato che scorre fuori dai rubinetti in tutto il mondo.

Solo negli Stati Uniti, "molte zone sono colpite dalla contaminazione da uranio, comprese le falde acquifere delle Alte Pianure e della Valle Centrale, che forniscono acqua potabile a 6 milioni di persone, "dice Ahmed Sami Helal, un postdoc presso il Dipartimento di Scienze e Ingegneria Nucleari. Questa contaminazione rappresenta un pericolo vicino e presente. "Anche piccole concentrazioni sono dannose per la salute umana, "dice Ju Li, il Battelle Energy Alliance Professore di Scienza e Ingegneria Nucleare e professore di Scienza e Ingegneria dei materiali.

Ora, un team guidato da Li ha ideato un metodo altamente efficiente per rimuovere l'uranio dall'acqua potabile. Applicando una carica elettrica alla schiuma di ossido di grafene, i ricercatori possono catturare l'uranio in soluzione, che precipita come un cristallo solido condensato. La schiuma può essere riutilizzata fino a sette volte senza perdere le sue proprietà elettrochimiche. "Entro poche ore, il nostro processo può purificare una grande quantità di acqua potabile al di sotto del limite EPA per l'uranio, "dice Li.

Un documento che descrive questo lavoro è stato pubblicato in questa settimana Materiale avanzato . I due primi coautori sono Helal e Chao Wang, un postdoc al MIT durante lo studio, che ora è con la School of Materials Science and Engineering presso la Tongji University, Shanghai. Ricercatori dell'Argonne National Laboratory, Università Nazionale Chiao Tung di Taiwan, e anche l'Università di Tokyo hanno partecipato alla ricerca. La Defense Threat Reduction Agency (Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti) ha finanziato le fasi successive di questo lavoro.

Mirare al contaminante

Il progetto, lanciato tre anni fa, è iniziato come uno sforzo per trovare approcci migliori alla pulizia ambientale dei metalli pesanti dai siti minerari. Ad oggi, metodi di bonifica per metalli come il cromo, cadmio, arsenico, guida, mercurio, radio, e l'uranio si sono dimostrati limitati e costosi. "Queste tecniche sono molto sensibili alle sostanze organiche nell'acqua, e sono poveri nel separare i contaminanti da metalli pesanti, " spiega Helal. "Quindi comportano lunghi tempi di funzionamento, elevati costi di capitale, e alla fine dell'estrazione, generare più fanghi tossici".

Alla squadra, l'uranio sembrava un obiettivo particolarmente attraente. I test sul campo del Servizio geologico degli Stati Uniti e dell'Agenzia per la protezione dell'ambiente (EPA) hanno rivelato livelli insalubri di uranio che si spostano nei bacini idrici e nelle falde acquifere da sorgenti rocciose naturali negli Stati Uniti nordorientali, da stagni e pozzi che immagazzinano vecchie armi nucleari e carburante in posti come Hanford, Washington, e dalle attività minerarie localizzate in molti stati occidentali. Questo tipo di contaminazione è diffuso anche in molte altre nazioni. Un numero allarmante di questi siti mostra concentrazioni di uranio vicine o superiori al tetto raccomandato dall'EPA di 30 parti per miliardo (ppb), un livello legato al danno renale, rischio di cancro, e cambiamenti neurocomportamentali negli esseri umani.

La sfida fondamentale consisteva nel trovare un processo pratico di bonifica esclusivamente sensibile all'uranio, in grado di estrarlo dalla soluzione senza produrre residui tossici. E mentre ricerche precedenti hanno dimostrato che la fibra di carbonio caricata elettricamente può filtrare l'uranio dall'acqua, i risultati erano parziali e imprecisi.

Wang è riuscita a risolvere questi problemi, basandosi sulla sua indagine sul comportamento della schiuma di grafene utilizzata per le batterie al litio-zolfo. "Le prestazioni fisiche di questa schiuma erano uniche per la sua capacità di attrarre determinate specie chimiche sulla sua superficie, "dice. "Pensavo che i leganti nella schiuma di grafene avrebbero funzionato bene con l'uranio".

Semplice, efficiente, e pulito

Il team si è messo al lavoro per trasformare la schiuma di grafene nell'equivalente di un magnete all'uranio. Hanno imparato che inviando una carica elettrica attraverso la schiuma, scindendo l'acqua e rilasciando idrogeno, potrebbero aumentare il pH locale e indurre un cambiamento chimico che ha tirato fuori gli ioni di uranio dalla soluzione. I ricercatori hanno scoperto che l'uranio si sarebbe innestato sulla superficie della schiuma, dove ha formato un idrossido di uranio cristallino mai visto prima. All'inversione della carica elettrica, il minerale, che assomiglia a squame di pesce, scivolò facilmente dalla schiuma.

Ci sono voluti centinaia di tentativi per ottenere la composizione chimica e l'elettrolisi giuste. "Abbiamo continuato a cambiare i gruppi chimici funzionali per farli funzionare correttamente, " dice Helal. "E la schiuma inizialmente era piuttosto fragile, tende a rompersi in pezzi, quindi dovevamo renderlo più forte e più durevole, "dice Wang.

Questo processo di filtrazione dell'uranio è semplice, efficiente, e pulito, secondo Li:"Ogni volta che viene usato, la nostra schiuma può catturare quattro volte il suo peso di uranio, e possiamo raggiungere una capacità di estrazione di 4, 000 mg per grammo, che è un notevole miglioramento rispetto ad altri metodi, " dice. "Abbiamo anche fatto un importante passo avanti nella riutilizzabilità, perché la schiuma può attraversare sette cicli senza perdere la sua efficienza di estrazione." La schiuma di grafene funziona anche nell'acqua di mare, dove riduce le concentrazioni di uranio da 3 parti per milione a 19,9 ppb, mostrando che altri ioni nella salamoia non interferiscono con la filtrazione.

Il team ritiene che sia a basso costo, dispositivo efficace potrebbe diventare un nuovo tipo di filtro per l'acqua domestica, montaggio su rubinetti come quelli dei marchi commerciali. "Alcuni di questi filtri hanno già carbone attivo, quindi forse potremmo modificarli, aggiungere elettricità a bassa tensione per filtrare l'uranio, "dice Li.

"L'estrazione dell'uranio ottenuta da questo dispositivo è molto impressionante rispetto ai metodi esistenti, "dice Ho Jin Ryu, professore associato di ingegneria nucleare e quantistica presso il Korea Advanced Institute of Science and Technology. Ryu, chi non è stato coinvolto nella ricerca, ritiene che la dimostrazione della riutilizzabilità della schiuma di grafene sia un "avanzamento significativo, " e che "la tecnologia del controllo del pH locale per migliorare la deposizione di uranio avrà un impatto perché il principio scientifico può essere applicato più in generale all'estrazione di metalli pesanti dall'acqua inquinata".

I ricercatori hanno già iniziato a studiare applicazioni più ampie del loro metodo. "C'è una scienza in questo, così possiamo modificare i nostri filtri per essere selettivi per altri metalli pesanti come piombo, mercurio, e cadmio, " dice Li. Nota che il radio è un altro pericolo significativo per le località negli Stati Uniti e altrove che mancano di risorse per infrastrutture affidabili per l'acqua potabile.

"Nel futuro, invece di un filtro dell'acqua passivo, potremmo usare un filtro intelligente alimentato da elettricità pulita che attiva l'azione elettrolitica, che potrebbe estrarre più metalli tossici, dirti quando rigenerare il filtro, e ti danno la garanzia della qualità dell'acqua che stai bevendo."