Исследователи разработали устройство, которое фильтрует тяжелые металлы, особенно уран, из питьевой воды с использованием графеновой пены.
Миллиарды людей во всем мире не имеют доступа к чистой питьевой воде, по оценкам ЮНИСЕФ, по состоянию на 2019 год от этой опасной для жизни проблемы страдает каждый третий человек¹.
В то время как некоторые формы загрязнения воды, такие как пластмасса и цветение водорослей, довольно легко идентифицировать визуально, другие гораздо труднее отследить, что делает их более опасными. Среди этих трудно обнаруживаемых веществ – тяжелые металлы, в частности уран.
Уран может попадать в питьевую воду из-за операций по добыче полезных ископаемых, на свалках ядерных отходов и даже из природных залежей, расположенных под землей, что влечет за собой ряд рисков для здоровья в случае употребления². Они могут варьироваться от повреждения почек до риска рака в зависимости от того, насколько растворим потребляемый уран и его концентрация.
Источники питьевой воды во многих регионах США подвержены загрязнению ураном. О количестве резервуаров и водоносных горизонтов, которые в настоящее время показывают уровни загрязнения ураном выше рекомендованного безопасного уровня в 30 частей на миллиард (частей на миллиард). Чтобы оценить масштабы этой проблемы, только два загрязненных водоносных горизонта в Высоких равнинах и Центральной долине снабжают питьевой водой более 6 миллионов граждан США.
Проблема загрязнения ураном выходит за пределы США, и многие другие страны демонстрируют тревожно высокие уровни этого тяжелого металла в питьевой воде.
Теперь исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) во главе с Джу Ли, профессором ядерных наук и инженерии Battelle Energy Alliance, профессором материаловедения и инженерии, возможно, нашли новаторское новое решение этой проблемы. Команда разработала пену графена, которая очень эффективно удаляет уран из питьевой воды.
«В течение нескольких часов с помощью нашего процесса можно очистить большое количество питьевой воды ниже предела EPA для урана», – говорит Ли, добавляя, что метод может быть изменен для других металлов.
Технология, которая зародилась в проекте, начатом три года назад с целью очистки тяжелых металлов от мест добычи полезных ископаемых, основана на пене оксида графена, которая при воздействии электрического заряда может захватывать уран из раствора. По словам ученых, одним из преимуществ этого метода является то, что его можно использовать повторно, при этом пена сохраняет свои электростатические свойства после семи применений.
Этот прорыв задокументирован в статье, опубликованной в последнем выпуске журнала Advanced Materials³ ведущими авторами и постдоками Ахмедом Сами Хелалом, Департамент ядерных наук и инженерии, Массачусетский технологический институт, и Чао Ван, Школа материаловедения и инженерии, Университет Тунцзи, Шанхай.
Как пена графена улучшает современные методы удаления урана?
Конечно, графеновая пена, разработанная Массачусетским технологическим институтом, не первая платформа, разработанная для удаления тяжелых металлов, таких как уран, мышьяк, свинец, ртуть и радий, из питьевой воды. Однако эти предшествующие платформы страдали несколькими недостатками, ограничивающими их использование.
«Эти методы очень чувствительны к органическим веществам в воде и плохо отделяют примеси тяжелых металлов», – говорит Хелал. «Таким образом, они требуют длительного времени работы, высоких капитальных затрат и в конце добычи образуют более токсичный ил».
Из этих тяжелых металлов команда Массачусетского технологического института решила сосредоточиться на уране. Это связано с результатами Геологической службы США и Агентства по охране окружающей среды (EPA), которые выявили естественные источники горных пород, добычу полезных ископаемых и даже захоронение ядерного оружия, выщелачивая уровни вредных металлов в резервуары и водоносные горизонты в северо-восточном регионе США.
Удаление урана без образования токсичных остатков – основная проблема, которую команда стремилась решить. Предыдущие исследования показали, что это можно сделать с помощью электрически заряженного углеродного волокна, но результаты практических испытаний были несколько неточными.
Ван нашел решение этой проблемы, исследуя использование графеновой пены в литий-серных батареях.
Физические характеристики этой пены были уникальными из-за ее способности притягивать определенные химические вещества к своей поверхности. Я думал, что лиганды в графеновой пене будут хорошо работать с ураном.
Чао Ван, Школа материаловедения и инженерии, Университет Тунцзи, Шанхай
Создание эффективного «уранового магнита»
Команда Массачусетского технологического института обнаружила, что, когда они пропускали электрический заряд через пену графена, он расщеплял воду и выделял водород, что привело к увеличению локальных уровней pH. Это приводит в действие химическое вещество, которое вытягивает ионы урана из раствора и заставляет его прививаться к поверхности пены.
Конечным результатом этого процесса является образование кристаллического гидроксида урана – минерала, который никогда ранее не наблюдался, – свисающего с пены в виде чешуи, напоминающей рыбью чешую. Пена сбрасывает уран при изменении электрического заряда.
Совершенствование графеновой пены было кропотливым процессом для команды Массачусетского технологического института с интенсивной химической инженерией и сотнями попыток разработать материал, который не был бы слишком хрупким.
В результате получилась прочная и долговечная графеновая пена, которая эффективно захватывает уран и может использоваться повторно. Конечный продукт может одинаково хорошо работать как с питьевой, так и с морской водой, что делает его легко адаптируемым для множества ролей.
Каждый раз при использовании наша пена может улавливать уран в четыре раза больше собственного веса, и мы можем достичь экстракционной способности 4000 мг на грамм, что является значительным улучшением по сравнению с другими методами. Мы также сделали большой прорыв в возможности повторного использования, потому что пена может пройти семь циклов без потери эффективности извлечения.
Цзюй Ли, профессор ядерных наук и инженерии Battelle Energy Alliance, Массачусетский технологический институт (MIT)
Команда даже считает, что существует вероятность того, что графеновая пена может быть адаптирована для домашнего использования, устанавливая ее на краны и смесители для эффективной фильтрации на месте и улучшая существующие альтернативы активированному углю.
Как упоминалось выше, следующим шагом команды будет адаптация графеновой пены для улавливания других тяжелых металлов. «Это наука, поэтому мы можем модифицировать наши фильтры, чтобы они были селективными для других тяжелых металлов, таких как свинец, ртуть и кадмий», – заключает Ли. «В будущем вместо пассивного фильтра для воды мы могли бы использовать интеллектуальный фильтр, работающий от чистого электричества, который включает электролитическое действие, которое может извлекать несколько токсичных металлов, сообщать вам, когда регенерировать фильтр, и давать вам гарантия качества воды, которую вы пьете ».
Источники
1. Каждый третий человек в мире не имеет доступа к безопасной питьевой воде, Unicef, [https://www.unicef.org.uk/press-releases/1-in-3-people-globally-do-not-have-access-to-safe-drinking-water-unicef-who/#:~:text=1%20in%203%20people%20globally,%E2%80%93%20UNICEF%2C%20WHO%20%2D%20Unicef%20UK]
2. Воздействие урана на здоровье, Руководство по DUF6, [https://web.evs.anl.gov/uranium/guide/ucompound/health/index.cfm]
3. Ван. С., Ли. J., Helal. A.S., и др., [2021]«Электролитическое осаждение урана на месте с многоразовым функциональным электродом из графеновой пены», Advanced Materials, [https://doi.org/10.1002/adma.202102633]