Stellen Sie sich vor, es gäbe eine kostengünstige Möglichkeit, Abwasser ohne den Einsatz von Chemikalien zu reinigen? Nun, Forscher am MIT haben nun ein neues Verfahren zur Entfernung von Schadstoffen aus Wasser entwickelt, das weitreichende Auswirkungen haben könnte, indem es die Abwasserbehandlung erschwinglicher und damit weltweit zugänglicher macht.

Die Verschwendung von Abwasser  

Das Thema für den diesjährigen Weltwassertag war Abwasser mit einem Aufruf zum Handeln, um Abwasser weltweit zu „reduzieren und wiederzuverwenden“. Warum Abwasser?

Parce que über 80 Prozent des Abwassers in der Welt geht direkt in das Ökosystem zurück, ohne dass es behandelt oder wiederverwendet wird. Das ist eine Verschwendung einer kostbaren Ressource mit einer doppelten Belastung für die Umwelt. Erstens belastet unbehandeltes Wasser die Umwelt, aber 1.8 Milliarden Menschen haben heute nur noch kontaminiertes Wasser als Trinkwasserquelle. Zweitens ist Wasser eine endliche Quelle, und wir wissen bereits, dass Grundwasser, die größte Süßwasserquelle, bei Gefahr der Erschöpfung in vielen Teilen der Welt bis 2050.

 

Das Potenzial von Abwasser als wertvolle Ressource ist im Sustainable Development Goal (SDG) 6.3 verankert, das darauf abzielt, „die Wasserqualität durch Reduzierung der Verschmutzung zu verbessern, Deponierung zu vermeiden und die Freisetzung gefährlicher Chemikalien und Materialien zu minimieren, den Anteil unbehandelten Abwassers zu halbieren und deutlich zu erhöhen“. Recycling und sichere Wiederverwendung weltweit“ bis 2030.

Die Möglichkeit, das SDG 6.3-Ziel zu erreichen, wurde gerade von MIT-Forschern gestärkt, die ein Neue Methode die „selbst extrem geringe Mengen unerwünschter Verbindungen“ nachhaltig aus dem Wasser entfernen können.

Das neue Verfahren bietet der Welt eine kostengünstige und umweltfreundliche Alternative, um Schadstoffe aus dem Wasser zu entfernen. Die bisher vorherrschenden Verfahren sind energie- und chemieintensiv, die nicht nur teuer, sondern auch ungesund für die Umwelt sind.

Das Team hinter der Erfindung ist ein MIT-Postdoc-Student Xiao Su, Ralph Landau-Professor für Chemieingenieurwesen am MIT T. Alan Hatton, und fünf weitere Forscher am MIT und an der Technischen Universität Darmstadt in Deutschland.

Laut Hatton arbeitet das neue System bei niedrigen Spannungen und Drücken, so dass es nicht die Nachteile anderer konventioneller Systeme hat, die hohe Spannungen und Drücke erfordern. Er fügte hinzu, dass das neue System keine Zugabe von Chemikalien erfordert, um eingefangene Schadstoffe freizusetzen und Adsorbentien zu regenerieren. Stattdessen könnte man im neuen System „einfach einen Schalter umlegen“, um das gleiche Ergebnis zu erzielen, indem man die Polarität der Elektroden umschaltet.

Wie funktioniert das neue System?

Das neue System verwendet Elektrizität und chemisch behandelte Oberflächen, um organische Schadstoffe wie Pestizide, chemische Abfallprodukte und Pharmazeutika selektiv aus dem Wasser zu entfernen, selbst wenn diese Schadstoffe in geringen, aber dennoch gefährlichen Konzentrationen vorhanden sind. Es befasst sich auch mit Problemen, die gegenwärtigen herkömmlichen Systemen innewohnen, einschließlich Schwankungen im Säuregehalt und Leistungsverlusten, die auf konkurrierende Oberflächenreaktionen zurückzuführen sind.

 

Derzeitige Systeme zur Entfernung verdünnter Schadstoffkonzentrationen aus Wasser sind nicht nur teuer, sondern auch weniger effektiv, wenn es um niedrige Konzentrationen geht. Sie erfordern auch oft hohe Spannungen, die dazu neigen, verunreinigende Verbindungen, eine Nebenreaktion, zu erzeugen und durch überschüssige Hintergrundsalze behindert werden.

Im Gegensatz dazu fließt das Wasser im neuen System des MIT zwischen chemisch behandelten oder „funktionalisierten“ Oberflächen, die als positive und negative Elektroden dienen. Diese Elektrodenoberflächen sind mit faradayschen Materialien beschichtet, bei denen es sich um Materialien handelt, die Reaktionen eingehen und positiv oder negativ geladen werden können. Dann wird eine elektrische Quelle hinzugefügt. Wenn Wasser zwischen diesen chemisch behandelten Elektroden fließt, können die Oberflächenmaterialien so eingestellt werden, dass sie eine bestimmte Art von Schadstoffmolekülen stark binden, was das Team mit Ibuprofen und verschiedenen Pestiziden demonstrierte.

Die Forscher fanden heraus, dass dieser Prozess sogar dann effektiv ist, wenn solche Schadstoffmoleküle in Konzentrationen von Teilen pro Million entfernt werden.

Die Forscher fanden auch heraus, dass die Verwendung von entsprechend funktionalisierten Elektroden, die asymmetrisch angeordnet sind, dazu führte, dass die in anderen Systemen vorhandenen Nebenreaktionen fast vollständig eliminiert wurden. Das macht es auch Es ist möglich, gleichzeitig sowohl positive als auch negative toxische Ionen selektiv und gleichzeitig zu entfernen, was das Team mit zwei Herbiziden, Paraquat und Quinchlorac, demonstrierte.

Su erklärte, dass das gleiche selektive Verfahren verwendet werden könnte, um hochwertige Verbindungen in einer chemischen oder pharmazeutischen Produktionsanlage zurückzugewinnen, wo sie sonst verschwendet würden.

„Das System könnte zur Umweltsanierung, zur Entfernung giftiger organischer Chemikalien oder in einer Chemiefabrik zur Rückgewinnung von Mehrwertprodukten verwendet werden, da sie alle auf dem gleichen Prinzip beruhen, um das Minoritätsion aus einem komplexen Mehrionensystem zu entfernen “, sagte Su in einer Erklärung.

Obwohl das System von Natur aus sehr selektiv ist, glaubt Su, dass es in der Praxis einen mehrstufigen Ansatz erfordern würde, um eine Vielzahl von Verbindungen nacheinander anzugehen, die von der genauen Anwendung abhängen.

„Solche Systeme könnten letztendlich für Wasserreinigungssysteme für abgelegene Gebiete in Entwicklungsländern nützlich sein, wo die Verschmutzung durch Pestizide, Farbstoffe und andere Chemikalien oft ein Problem bei der Wasserversorgung ist“, sagte er in einer Erklärung. „Das hocheffiziente, elektrisch betriebene System könnte zum Beispiel in ländlichen Gebieten mit Strom aus Sonnenkollektoren betrieben werden.“

Das neue System des MIT wird in der Zeitschrift beschrieben Energie-und Umweltwissenschaften.

Das Forschungsteam wurde für die ständige Weiterentwicklung der Wasseraufbereitungstechnologie ausgezeichnet, darunter Zuschüsse aus den Wettbewerben J-WAFS Solutions und Massachusetts Clean Energy Catalyst, und die Forscher gewannen im letzten Jahr auch den MIT Water Innovation Prize.

Die Forscher haben ein Patent angemeldet und wollen ihre Prototypen im Labor skalieren und die chemische Robustheit verbessern.

„Wir wollen dies auf jeden Fall in der realen Welt umsetzen“, sagte Hatton in einer Erklärung.

Wie geht es mit dem neuen System weiter?

TUN sprach mit Hatton und Su, um ihre Pläne für ihr neues System zu verfolgen.

Uns wurde mitgeteilt, dass die Technologie noch nicht außerhalb des Labors getestet wurde, aber dass sie mit echten Abwässern zu arbeiten beginnt. Sie hoffen, in den nächsten sechs bis zwölf Monaten zu Feldstudien übergehen zu können.

Beide sind positiv, was das neue System leisten kann.

„Diese Technologie ist vielversprechend für die Sanierung kontaminierter Wasserressourcen in einem breiten Maßstab, von Haushaltswasseraufbereitungsanlagen bis hin zu großen industriellen und kommunalen Wasseraufbereitungsanlagen, zu geringeren Kosten und geringerem Druck als viele andere Ansätze und mit einer höheren Selektivität für Mikroverunreinigungen von direkte Besorgnis an die EPA [Environmental Protection Agency]“, sagte Hatton.

Die Technologie hat auch andere Anwendungsmöglichkeiten.

„Es ist eine vielseitige Technologie mit einem breiten Anwendungsspektrum, nicht nur in der Wasseraufbereitung, sondern auch in biologischen Anwendungen und bei der Minderung von Treibhausgasemissionen“, sagte Hatton.

Su stimmt zu, dass das neue System Auswirkungen auf die reale Welt haben würde.

„Wie Alan [Hatton] erwähnte, sind wir derzeit sehr daran interessiert, unsere Technologien zu skalieren und sie unter realen Praxisbedingungen zu testen“, sagte Su.

„Wir erwarten, dass unsere Arbeit, sobald sie umgesetzt ist, Auswirkungen auf die Wasserreinigung sowohl hier in den USA als auch weltweit haben wird, insbesondere in Entwicklungsländern, die mit ernsthaften Verschmutzungsproblemen konfrontiert sind.“

Das neue System ist ideal für ländliche und abgelegene Gebiete, in denen viele keinen Zugang zu sauberem Wasser haben. Eine kürzlich in Australien durchgeführte Studie ergab beispielsweise, dass die Versorgung mit unreinem Wasser zu einer geringere Lebensdauer in den ländlichen und abgelegenen Gebieten des Landes.

Neben den industriellen Anwendungen ist ein Vorteil unserer elektrochemischen Plattform, dass sie vor Ort im Feld in ländlichen und abgelegenen Gebieten eingesetzt werden kann. Unser Wasserreinigungsgerät kann dann in Solar- oder andere erneuerbare Quellen integriert werden und wird hoffentlich den Bedarf kleiner Gemeinden decken.

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