Вдохновленная множеством близлежащих водоемов Чикаго, команда под руководством Северо-Западного университета разработала способ многократного удаления и повторного использования фосфатов из загрязненных вод. Исследователи сравнивают разработку с «швейцарским армейским ножом» для устранения загрязнения, поскольку они адаптируют свою мембрану к поглощению, а затем и к высвобождению других загрязняющих веществ.
Исследование будет опубликовано в течение недели 31 мая в Трудах Национальной академии наук.
Фосфор лежит в основе как мировой продовольственной системы, так и всего живого на Земле. Это требуется каждому живому организму на планете: фосфор находится в клеточных мембранах, в основе ДНК и в нашем скелете. Хотя другие ключевые элементы, такие как кислород и азот, можно найти в атмосфере, фосфор не имеет аналогов. Небольшая часть используемого фосфора поступает из земной коры, выветривание которой занимает тысячи или даже миллионы лет.
И наши шахты заканчиваются.
В статье Джулии Розен в «Атлантике» от 2021 года цитируется эссе Исаака Азимова 1939 года, в котором американский писатель и химик назвал фосфор «узким местом в жизни»."
Учитывая нехватку этого невозобновляемого природного ресурса, грустно иронично, что многие из наших озер страдают от процесса, известного как эвтрофикация, который происходит, когда слишком много питательных веществ попадает в природный источник воды. По мере накопления фосфатов и других минералов водная растительность и водоросли становятся слишком плотными, истощая кислород из воды и в конечном итоге убивая водные организмы.
«Раньше мы использовали гораздо больше фосфатов», – сказала Стефани Рибет, первый автор статьи. "Теперь мы просто вытаскиваем его из земли, используем один раз и смываем в источники воды после использования. Итак, это проблема загрязнения, проблема устойчивости и проблема экономики замкнутого цикла."
Экологи и инженеры традиционно разработали тактику решения растущих проблем окружающей среды и здоровья населения, связанных с фосфатами, путем удаления фосфатов из источников воды.
Только недавно акцент сместился с удаления на восстановление фосфатов.
«Всегда можно делать определенные вещи в лабораторных условиях», – сказал Винаяк Дравид, автор-корреспондент исследования. "Но есть диаграмма Венна, когда дело доходит до масштабирования, когда вам нужно иметь возможность масштабировать технологию, вы хотите, чтобы она была эффективной, и вы хотите, чтобы она была доступной. Раньше в этом пересечении трех не было ничего, но наша губка, похоже, является платформой, которая соответствует всем этим критериям."
Дравид – профессор материаловедения и инженерии Абрахама Харриса в Северо-западной инженерной школе Маккормика, директор-основатель Экспериментального центра атомных и наномасштабных характеристик Северо-Западного университета (NUANCE) и директор Экспериментального ресурса по мягким и гибридным нанотехнологиям (SHyNE). Дравид также является директором по глобальным инициативам в Северо-Западном международном институте нанотехнологий.
Рибет – доктор.D. студент лаборатории Дравида и первый автор статьи.
Облегченная мембрана для удаления и восстановления фосфатов (PEARL) представляет собой пористую гибкую основу (например, губку, ткань или волокна с покрытием), которая избирательно улавливает до 99% ионов фосфата из загрязненной воды. Покрытая наноструктурами, которые связываются с фосфатом, мембрана PEARL может быть настроена путем регулирования pH для поглощения или высвобождения питательных веществ, чтобы обеспечить восстановление фосфатов и повторное использование мембраны в течение многих циклов.
Современные методы удаления фосфатов основаны на сложных, длительных, многоступенчатых методах. Большинство из них также не восстанавливают фосфат во время удаления и в конечном итоге образуют большое количество физических отходов.
Мембрана PEARL обеспечивает простой одностадийный процесс удаления фосфата, который также эффективно восстанавливает его. Он также пригоден для повторного использования и не вызывает физических отходов.
Используя образцы из района мелиорации воды в Чикаго, исследователи проверили свою теорию с добавлением сложности реальных образцов воды.
«Мы часто называем это« наноразмерным решением проблемы гигатонн », – сказал Дравид. "Во многих отношениях наноразмерные взаимодействия, которые мы изучаем, имеют значение для восстановления на макроуровне."
Команда продемонстрировала, что подход на основе губки эффективен в масштабах от миллиграммов до килограммов, что дает надежду на дальнейшее масштабирование.
Это исследование основано на прежней разработке той же команды – Викас Нандвана, член группы дравидов и соавтор настоящего исследования, был первым автором, называемым ОМ (олеофильная гидрофобная многофункциональная) губка, в котором использовалась та же губчатая платформа. для выборочного удаления и извлечения масла, образовавшегося в результате загрязнения водой масла. Модифицируя покрытие из наноматериалов в мембране, команда планирует в следующий раз использовать свою структуру, подобную «включай и работай», для борьбы с тяжелыми металлами.
Рибет также сказал, что с несколькими загрязняющими веществами можно бороться одновременно, применяя несколько материалов с заданным сродством.
«Эта проблема восстановления воды поражает так близко к дому», – сказал Рибет. «Западный бассейн озера Эри – одна из основных областей, о которых вы думаете, когда дело доходит до эвтрофикации, и меня вдохновило то, что я узнал больше о проблемах с восстановлением воды в районе Великих озер."
Исследование «Легкая мембрана для удаления и восстановления фосфатов (PEARL): устойчивый подход к восстановлению окружающей среды» было поддержано Национальным научным фондом (номер премии DMR-1929356).
В исследовании для этого документа использовались ресурсы SHyNE, поддерживаемые программой NSF National Nanotechnology Coordinated Infrastructure (NSF-NCCI).
Бенджамин Шиндель, Роберто дос Рейс и Викас Нандвана – все из Северо-Запада – соавторы статьи.