Новое открытие очистит воду от фосфатов

Загрязнение фосфатами рек, озер и других водоемов достигло опасного уровня, вызывая цветение водорослей, лишающих рыб и водные растения кислорода. Между тем, фермеры во всем мире смиряются с истощающимися запасами фосфорных удобрений, которыми снабжается половина мировых запасов продовольствия. 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 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, у фосфора нет аналогов. Небольшая часть используемого фосфора поступает из земной коры, выветривание которой занимает тысячи или даже миллионы лет. И наши мины на исходе. В статье Джулии Розен в The Atlantic от 2021 года цитируется эссе Исаака Азимова 1939 года, в котором американский писатель и химик назвал фосфор «узким местом жизни». Учитывая нехватку этого невозобновляемого природного ресурса, вызывает печальную иронию тот факт, 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, что истощает кислород из воды и в конечном итоге приводит к гибели водных организмов. «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 циркулярной экономики». Экологи и инженеры традиционно разработали тактику решения растущих проблем окружающей среды и здоровья населения, связанных с фосфатами, путем устранения фосфатов из водных источников. 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 кажется платформой, отвечающей всем этим критериям ». Дравид - профессор материаловедения и инженерии Абрахама Харриса инженерной школы Маккормика Северо-Западного университета, директор-основатель Экспериментального центра атомных и наномасштабных характеристик Северо-Западного университета (NUANCE) и директор Экспериментального ресурса мягких и гибридных нанотехнологий (SHyNE). Дравид также является директором по глобальным инициативам в Северо-западном международном институте нанотехнологий. Рибет - доктор философии. студент лаборатории Дравида и первый автор статьи. Облегченная мембрана для удаления и восстановления фосфатов (PEARL) представляет собой пористую гибкую основу (например, губку с покрытием, ткань или волокна), которая избирательно изолирует 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 и 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 многоразовый 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 при весах от миллиграммов до килограммов, что дает надежду на дальнейшее масштабирование. Это исследование основано на предыдущей разработке той же команды - Викас Нандвана, член группы дравидов и соавтор настоящего исследования, был первым автором, названным ОМ (олеофильная гидрофобная многофункциональная) губкой, который использовал ту же губчатую платформу для выборочно удалять и восстанавливать масло, образовавшееся в результате загрязнения воды маслом. Модифицируя покрытие из наноматериалов в мембране, команда планирует в следующий раз использовать свою «plug-and-play» структуру 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 нас 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 очистки воды в районе Великих озер».