Il nitrato è un fastidioso contaminante delle acque sotterranee causato principalmente dal deflusso di fertilizzanti sui terreni agricoli. Molti pozzi nelle regioni agricole superano il limite EPA per i nitrati nell'acqua potabile, e senza un'opzione di trattamento economico l'acqua non è adatta all'uso potabile.

Ma i ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) e della Stanford University hanno sviluppato una tecnologia in grado di rimuovere selettivamente i nitrati dall'acqua, preservare i minerali benefici e ridurre drasticamente il costo del trattamento rispetto ad altri metodi di purificazione, come l'osmosi inversa.

"La nostra tecnologia può scalare da sottolavello a dimensioni di impianto municipale e aumenterà la disponibilità di acqua dolce nelle aree con risorse insufficienti, " ha detto lo scienziato dei materiali LLNL Patrick Campbell, co-autore principale di un articolo apparso online e in una futura edizione di copertina della rivista Scienze e tecnologie ambientali .

La contaminazione delle risorse idriche con nitrati è un problema crescente e significativo, soprattutto nelle regioni agricole. Rendendosi conto di questo, il team ha utilizzato elettrodi di deionizzazione capacitiva realizzati in carbonio ultramicroporoso con pori di dimensioni inferiori a un nanometro, perfetti per rimuovere le molecole di nitrato.

La deionizzazione capacitiva (CDI) è una tecnologia di trattamento dell'acqua che può essere utilizzata per rimuovere il sale dalle acque salmastre a bassa salinità. Oltre alla desalinizzazione generale, Il CDI può essere utilizzato per la rimozione selettiva di specifici contaminanti ionici. Uno dei principali contaminanti è il nitrato, che è regolato dall'Agenzia per la protezione dell'ambiente degli Stati Uniti a un livello massimo di contaminante nell'acqua potabile di 10 milligrammi per litro.

Però, gli studi suggeriscono che la concentrazione di nitrati nelle acque sotterranee aumenta di 1-3 milligrammi per litro all'anno, rendendo sempre più importante lo sviluppo di metodi di trattamento efficaci.

"È ragionevole aspettarsi che una distribuzione delle dimensioni dei pori di pori esclusivamente stretti eliminerebbe gli ioni indesiderati comuni a favore dell'adsorbimento selettivo del nitrato, " ha detto Michael Stadermann, Scienziato dei materiali LLNL e co-autore dell'articolo.

Per dimostrare la selettività, il team ha scelto cloruro e solfato perché si trovano comunemente nelle acque di scorrimento, e, insieme al nitrato, coprono un'ampia sezione trasversale delle proprietà degli ioni idrati. Hanno scoperto che l'elettrodo rimuoveva il nitrato dall'acqua in modo molto più efficace di quanto rimuovesse cloruro e solfato.

Per capire meglio perché il nitrato viene rimosso preferenzialmente rispetto a solfato e cloruro, il team ha effettuato simulazioni dinamiche molecolari di prim'ordine del cloruro, ioni nitrato e solfato disciolti in acqua sfusa.

"Queste simulazioni ad alta fedeltà forniscono informazioni sulla struttura di idratazione di ogni ione, compresa la geometria e la forza di solvatazione, che può essere direttamente correlato alla selettività ionica osservata negli esperimenti, " ha detto Campbell.