Піну з оксиду графену перетворили на уловлювач урану та інших важких метілів у воді за допомогою електрики

Дослідницька група під керівництвом Массачусетського технологічного інституту створює електролітичну піну з графену для пристрою, який може вловлювати уран та інші важкі метали з водопровідної води, повідомляє technology.org.

Деякі види забруднення води, такі як цвітіння водоростей та пластмаси, які забруднюють річки, озера та морське середовище, лежать на поверхні. Але інші забруднення виявляюти не так легко, що робить їх вплив потенційно більш небезпечним. Серед цих невидимих ​​речовин - уран. Витікаючи у водні ресурси з видобутку корисних копалин, з ядерних відходів або з природних підземних родовищ, тепер цей елемент можна знайти у водопровідних кранах по всьому світу.

Тільки в Сполучених Штатах "багато районів постраждали від забруднення урану, включаючи гористі рівнини та водоносні горизонти Центральної долини, які забезпечують питною водою 6 мільйонів людей", - каже Ахмед Самі Хелал, докторант кафедри ядерної науки та техніки. Це забруднення становить близьку і нинішню небезпеку. "Навіть невеликі концентрації шкідливі для здоров'я людини", - каже Джу Лі, професор ядерної науки та техніки компанії Battelle Energy Alliance, професор матеріалознавства та техніки.

               3D -функціоналізована відновлена ​​піна з оксиду графену (3D -FrGOF) використовується як електрод електролітичного осадження для вилучення урану із забрудненої води. 

               Ілюстрація дослідників / MIT

Тепер команда під керівництвом Лі розробила високоефективний метод видалення урану з питної води. Застосовуючи електричний заряд до піни оксиду графену, дослідники можуть захопити уран у розчині, який випадає у вигляді конденсованого твердого кристала. Піну можна використовувати до семи разів без втрати своїх електрохімічних властивостей. "За кілька годин наш процес може очистити велику кількість питної води нижче межі EPA для урану", - каже Лі.

Стаття, що описує цю роботу, була опублікована в Advanced Materials. Двома першими співавторами є Хелал та Чао Ван, докторант МТІ під час дослідження, який зараз навчається у Школі матеріалознавства та інженерії при Університеті Тонцзі, Шанхай. Дослідники з Національної лабораторії Аргонна, Тайванського національного університету Чяо Тун та Токійського університету також брали участь у дослідженні. Агентство із зменшення загроз оборони (Міністерство оборони США) фінансувало пізніші етапи цієї роботи.

Націлювання на забруднювач

Проект, розпочатий три роки тому, розпочався як спроба знайти кращі підходи до екологічного очищення важких металів з майданчиків видобутку. На сьогодні методи відновлення таких металів, як хром, кадмій, миш'як, свинець, ртуть, радій та уран, виявилися обмеженими та дорогими. “Ці методи дуже чутливі до органічних речовин у воді і погано виділяють забруднення важких металів”, - пояснює Хелал. "Таким чином, вони передбачають тривалий час експлуатації, високі капітальні витрати і в кінці видобутку генерують більш токсичний шлам".

Для команди уран здався особливо привабливою мішенню. Польові випробування Геологічної служби США та Агентства з охорони навколишнього природного середовища (EPA) виявили високий рівень урану, що переміщується у водойми та водоносні горизонти з джерел природних порід на північному сході США, зі ставків та ям, де зберігається стара ядерна зброя та паливо в таких місцях, як Хенфорд , Вашингтон, і від гірничодобувної діяльності, розташованої у багатьох західних штатах. Таке забруднення поширене також у багатьох інших країнах. Тривожна кількість цих сайтів показує концентрації урану, близькі до або вище рекомендованої межі EPA у 30 частин на мільярд (ppb) - рівень, пов'язаний з ушкодженнями нирок, ризиком раку та нейро-поведінковими змінами у людей.

Найважливішою проблемою було знайти практичний процес санації, чутливий виключно до урану, здатний витягнути його з розчину без утворення токсичних залишків. І хоча раніше дослідження показали, що вуглецеве волокно з електричним зарядом може фільтрувати уран з води, результати були частковими та неточними.

Ван вдалося вирішити ці проблеми-на основі її дослідження поведінки графенової піни, що використовується для літій-сірчаних батарей. "Фізичні характеристики цієї піни були унікальними через її здатність притягувати певні хімічні види на свою поверхню", - каже вона. "Я думала, що ліганди в піні графену добре працюватимуть з ураном".

Просто, ефективно та чисто

Команда взялася за перетворення графенової піни в еквівалент уранового магніту. Вони дізналися, що, посилаючи електричний заряд через піну, розщеплюючи воду та виділяючи водень, вони можуть збільшити локальний рН та викликати хімічну зміну, яка витягне іони урану з розчину. Дослідники виявили, що уран прищеплюється на поверхню піни, де утворює ніколи не бачений кристалічний гідроксид урану. При зміні електричного заряду мінерал, схожий на риб'ячу луску, легко зісковзнув з піни.

Потрібні були сотні спроб отримати хімічний склад та електроліз якнайкраще. “Ми продовжували змінювати функціональні хімічні групи, щоб вони працювали належним чином”, - каже Хелал. “І піна спочатку була досить крихкою, вона, як правило, розпадалася на частини, тому нам потрібно було зробити її міцнішою”, - каже Ван.

Цей процес фільтрації урану простий, ефективний та чистий, за словами Лі: “Щоразу, коли він використовується, наша піна може захоплювати в чотири рази більше власної ваги урану, і ми можемо досягти потужності видобутку 4000 мг на грам, що є значне поліпшення порівняно з іншими методами ", - говорить він. "Ми також зробили великий прорив у повторному використанні, тому що піна може пройти сім циклів без втрати ефективності вилучення". Графенова піна функціонує також у морській воді, де вона знижує концентрацію урану з 3 частин на мільйон до 19,9 проміле, показуючи, що інші іони в розсолі не перешкоджають фільтрації.

Команда вважає, що його недорогий та ефективний пристрій може стати новим видом домашнього фільтра для води, який підійде для змішувачів, таких як комерційні бренди. "Деякі з цих фільтрів вже мають активоване вугілля, тому, можливо, ми могли б їх змінити, додавши низьковольтну електрику для фільтрації урану",- каже Лі.

"Видобуток урану, досягнутий цим пристроєм, дуже вражає в порівнянні з існуючими методами", - каже Хо Цзінь Рю, доцент кафедри ядерної та квантової інженерії Корейського науково -технічного інституту. Рю, який не брав участі у дослідженні, вважає, що демонстрація повторного використання графенової піни - це "значний прогрес", і що "технологія місцевого контролю рН для посилення осадження урану буде впливовою, оскільки науковий принцип може бути застосований більш загально до видобутку важких металів із забрудненої води “.

Дослідники вже розпочали дослідження ширшого застосування свого методу. “У цьому є своя наука, тому ми можемо змінити наші фільтри, щоб вони були селективними для інших важких металів, таких як свинець, ртуть та кадмій”, - каже Лі. Він зазначає, що радій є ще однією значною небезпекою для місцевих населених пунктів США та інших країн, де бракує ресурсів для надійної інфраструктури питної води.

"У майбутньому замість пасивного фільтра для води ми могли б використовувати розумний фільтр, що працює від чистої електрики, що включає електролітичну дію, який може витягати багато токсичних металів, підказувати, коли регенерувати фільтр, і давати вам гарантію якості води, яку ви споживаєте".