Inženjeri Univerziteta Northvestern razvili su novi sunđer koji može da ukloni metale — uključujući toksične teške metale poput olova i kritične metale poput kobalta — iz kontaminirane vode, ostavljajući za sobom bezbednu vodu za piće.
U eksperimentima za dokaz koncepta, istraživači su testirali svoj novi sunđer na visoko kontaminiranom uzorku vode iz slavine, koja sadrži više od 1 dela na milion olova. Jednom upotrebom, sunđer filtriran dovodi do nivoa ispod vidljivog.
Nakon upotrebe sunđera, istraživači su takođe uspeli da uspešno povrate metale i ponovo koriste sunđer u više ciklusa. Novi sunđer obećava buduću upotrebu kao jeftin alat koji se lako koristi u kućnim filterima za vodu ili velikim naporima za sanaciju životne sredine.
Studija je objavljena 10. maja u časopisu ACS ES&T Water. U radu su prikazana nova istraživanja i postavljena pravila dizajna za optimizaciju sličnih platformi za uklanjanje — i oporavak — drugih toksina teških metala, uključujući kadmijum, arsen, kobalt i hrom.
„Prisustvo teških metala u vodosnabdevanju je ogroman izazov za javno zdravlje za ceo svet“, rekao je Vinajak Dravid iz Northvesterna, viši autor studije i profesor nauke o materijalima i inženjering Abraham Harris na Školi inženjeringa Northvestern McCormick i direktor globalne inicijative na Međunarodnom institutu za nanotehnologiju. „To je problem od gigatona koji zahteva rešenja koja se mogu primeniti lako, efikasno i jeftino. Tu dolazi naš sunđer. Može da ukloni zagađenje, a zatim da se koristi iznova i iznova.“
Projekat se zasniva na Dravidovom prethodnom radu na razvoju visoko poroznih sunđera za različite aspekte sanacije životne sredine. U maju 2020, njegov tim je predstavio novi sunđer dizajniran za čišćenje izlivene nafte. Sunđer obložen nanočesticama, koji sada komercijalizuje Northvestern spinoff MFNS Tech, nudi efikasniju, ekonomičniju, ekološki prihvatljiviju i višekratnu alternativu trenutnim pristupima izlivanju nafte.
Ali Dravid je znao da to nije dovoljno.
„Kada dođe do izlivanja nafte, možete ukloniti naftu“, rekao je on. „Ali postoje i toksični teški metali — poput žive, kadmijuma, sumpora i olova — u tim izlivanjem. Dakle, čak i kada uklonite naftu, neki od drugih toksina mogu ostati.“
Da bi se pozabavio ovim aspektom problema, Dravidov tim se ponovo okrenuo sunđerima obloženim ultratankim slojem nanočestica. Nakon testiranja mnogo različitih tipova nanočestica, tim je otkrio da premaz dopiran manganom getit najbolje funkcioniše. Ne samo da su nanočestice getita dopirane manganom jeftine za pravljenje, lako dostupne i netoksične za ljude, one takođe imaju svojstva neophodna za selektivno uklanjanje teških metala.
„Želite materijal sa velikom površinom, tako da ima više prostora da se olovni joni zalepe za njega“, rekao je Benjamin Shindel, dr. student u Dravidovoj laboratoriji i prvi autor rada. „Ove nanočestice imaju velike površine i obilne reaktivne površine za adsorpciju i stabilne su, tako da se mogu ponovo koristiti mnogo puta.“
Tim je sintetizovao suspenzije nanočestica getita dopiranih manganom, kao i nekoliko drugih kompozicija nanočestica, i premazao komercijalno dostupne celulozne sunđere sa ovim suspenzijama. Zatim su obložene sunđere isprali vodom kako bi isprali sve labave čestice. Debljina završnih premaza bila je samo desetine nanometara.
Kada se potopi u kontaminiranu vodu, sunđer obložen nanočesticama efikasno je sekvestrirao olovne jone. Američka uprava za hranu i lekove zahteva da flaširana voda za piće bude ispod 5 delova na milijardu olova. U ispitivanjima filtracije, sunđer je smanjio količinu olova na približno 2 dela na milijardu, što ga čini bezbednim za piće.
„Zaista smo srećni zbog toga“, rekao je Šindel. „Naravno, ovaj učinak može varirati u zavisnosti od nekoliko faktora. Na primer, ako imate veliki sunđer u maloj količini vode, on će se ponašati bolje od malog sunđera u ogromnom jezeru.“
Odatle je tim isprao sunđer blago zakiseljenom vodom, što je Šindel uporedio sa „isto kiselinom limunade“. Kiseli rastvor je prouzrokovao da sunđer oslobodi olovne jone i bude spreman za drugu upotrebu. Iako je učinak sunđera opao nakon prve upotrebe, on je i dalje povratio više od 90% jona tokom narednih ciklusa upotrebe.
Ova sposobnost sakupljanja i zatim obnavljanja teških metala je posebno dragocena za uklanjanje retkih, kritičnih metala, kao što je kobalt, iz izvora vode. Uobičajeni sastojak litijum-jonskih baterija, kobalt je energetski skup za eksploataciju i prati ga lista ekoloških i ljudskih troškova.
Ako bi istraživači mogli da razviju sunđer koji selektivno uklanja retke metale, uključujući kobalt, iz vode, onda bi ti metali mogli da se recikliraju u proizvode kao što su baterije.
„Za tehnologije obnovljive energije, poput baterija i gorivnih ćelija, postoji potreba za obnavljanjem metala“, rekao je Dravid. „U suprotnom, u svetu nema dovoljno kobalta za sve veći broj baterija. Moramo pronaći načine da povratimo metale iz veoma razblaženih rastvora. U suprotnom, on postaje otrovan i toksičan, samo sedeći tamo u vodi. Mogli bismo i da napravimo nešto vredno sa njim.“
Kao deo studije, Dravid i njegov tim su postavili nova pravila dizajna kako bi pomogli drugima da razviju alate za ciljanje određenih metala, uključujući kobalt. Konkretno, oni su istakli koje jeftine i netoksične nanočestice takođe imaju velike površine i afinitete za lepljenje metalnih jona. Proučavali su učinak premaza od oksida mangana, gvožđa, aluminijuma i cinka na adsorpciju olova. Zatim su uspostavili odnose između struktura ovih nanočestica i njihovih adsorptivnih svojstava.
Pod nazivom nanomaterijalni sunđeri premazi za teške metale (ili „Nano-SCHeMe“), platforma za sanaciju životne sredine može pomoći drugim istraživačima da razlikuju koji nanomaterijali su najpogodniji za određene primene.
„Pročitala sam mnogo literature koja upoređuje različite premaze i adsorbente“, rekla je Kerolajn Harms, studentkinja u Dravidovoj laboratoriji i koautorka rada. „Zaista postoji nedostatak standardizacije u ovoj oblasti. Analizom različitih tipova nanočestica, razvili smo uporednu skalu koja zapravo radi za sve njih. To bi moglo imati mnogo implikacija u pomeranju polja napred.“
Dravid i njegov tim zamišljaju da bi njihov sunđer mogao da se koristi u komercijalnim filterima za vodu, za čišćenje životne sredine ili kao dodatni korak u objektima za rekultivaciju i tretman vode.
„Ovaj posao može biti relevantan za pitanja kvaliteta vode i lokalno i globalno“, rekao je Šindel. „Želimo da ovo vidimo u svetu, gde može da napravi pravi uticaj.“
