Учёные в Университете Райса разрабатывают технологию удаления из воды загрязняющих веществ — но только тех из них, которые требуются.
Под руководством инженера Килин Ли лаборатория создаёт систему очистки, которую можно настроить на выборочное удаление токсинов из питьевой воды и сточных вод. Разработчики заявляют, что предложенная ими система снизит затраты и расход энергии по сравнению с существующими технологиями.
Подпись к изображению: Загрязняющие вещества могут быть удалены из жидкостей, проходящих сквозь подобный лабиринту путь между электродами
«Традиционные методы ‘удаления всего’, такие как обратный осмос, дорогостоящие и энергозатратные, — пишет Килин Ли, научный руководитель и соавтор исследования, в журнале Американского химического общества Environmental Science & Technology. — Если мы найдём способ удалять конкретные загрязняющие компоненты, небольшие по объёму, мы сэкономим много энергии».
Основа предложенной системы — это новые композитные электроды, позволяющие выполнять ёмкостную деионизацию. Эти пористые, заряженные электроды выборочно удерживают заданные ионы из жидкостей, проходящих через подобие лабиринта между электродами. Когда их поры переполняются токсинами, электроды можно очистить и использовать повторно.
«Это — часть обширного исследования, цель которого — выборочное извлечение ионных загрязнителей. В воде присутствует множество ионов. Не все из них токсичны. Например, хлорид натрия (соль) совершенно безобиден, и его ионы незачем удалять. Во многих случаях можно оставить не представляющие опасности ионы, но есть и такие, удалить которые необходимо. Например, в некоторых скважинах питьевой воды присутствует мышьяк. В водопроводных трубах может быть свинец или медь. Ионы кальция и сульфат-ионы образуют накипь — минеральные отложения, забивающие водопроводные трубы».
Созданная группой Ли работоспособная модель удаляла сульфат-ионы — образующий накипь минерал, придающий воде кислый вкус и имеющий слабительный эффект для человеческого организма. Использованные в системе электроды были покрыты активированным углем, который в свою очередь был покрыт тонкой плёнкой из частиц смолы, скреплённых кватернизованным поливиниловым спиртом. Когда загрязнённая сульфатом вода текла по каналу между электродами, сульфат-ионы притягивались электродами, проходили сквозь плёнку из смолы и прилипали к углю.
Опыты в лаборатории университета показали, что положительно заряженное покрытие катода с большей вероятностью захватывало сульфат-ионы, чем ионы соли, в пропорции 20:1.
Электроды сохранили свои свойства на протяжении 50-и циклов. «На самом деле, мы использовали систему в сотнях циклов, без разрушения или отслоения материалов. Она очень надёжна», — заявил автор исследования Кичанг Жу.
Ли говорит, что эта система предназначена для совместной работы с существующими коммерческими системами водоочистки. «Главное достоинство этой работы не в том, что мы сумели выборочно удалять сульфаты — существует и множество других, более значимых загрязнителей. Значение этой работы в том, что мы создали технологическую платформу, позволяющую также работать с другими загрязнителями, изменяя состав покрытия электродов».
Группа в Университете Райса разрабатывает покрытия и для других загрязнителей, и ведёт совместную работу с лабораториями в Университете Техаса и Аризонском университете по крупномасштабной опытной системе. Также Куичанг Жу сказал, что эту систему можно уменьшить до размера, позволяющего использование отдельными домохозяйствами.