Electrodializa cu captare de ioni, o nouă modalitate de a elimina sărurile și metalele toxice din apă

Majoritatea oamenilor primesc apă dulce din lacuri și râuri Dar acestea reprezintă doar 0,007% din apa din lume. Pe măsură ce populația umană s-a mărit, a crescut și cererea de apă proaspătă.

În prezent, doi din trei oameni din lume se confruntă cu o lipsă severă de apă potabilă cel puțin o lună pe an.

Alte surse de apă, cum ar fi apa de mare și apele uzate, ar putea fi utilizate pentru a satisface nevoile tot mai mari de apă, dar acestea sunt pline de sare și conțin de obicei contaminanți precum metalele toxice.

Din acest motiv, oamenii de știință și inginerii au dezvoltat metode pentru a elimina sărurile și toxinele din apă printr-un proces denumit desalinizare.

Din păcate, metodele existente sunt costisitoare și consumă multă energie, mai ales pentru că presupun multe etape tehnologice. Tehnicile actuale de desalinizare creează, de asemenea, o mulțime de deșeuri, din moment ce aproximativ jumătate din apa utilizată în unele instalații de desalinizare este pierdută ca apă uzată care conține toate sărurile și toxinele eliminate.

Sunt doctorand în inginerie chimică și biomoleculară și fac parte dintr-o echipă care a creat recent o nouă metodă de purificare a apei. Credem că aceasta poate face desalinizarea mai eficientă, deșeurile mai ușor de gestionat, iar stațiile de tratare a apei mai mici. Această tehnologie oferă un nou tip de filtru care poate viza și captura metale toxice, eliminând în același timp sarea din apă.

Membranele ce conţin particule mici ce pot captura anumite metale toxice specifice pot curăța apa într-un singur pas. Credit: Adam Uliana, CC BY-ND

Proiectarea unui filtru all-in-one

Pentru a construi un singur filtru care să poată capta metale, dar să şi elimine sarea, eu și colegii mei am avut nevoie mai întâi de un material care să poată îndepărta mulți contaminanți diferiți, mai ales metale grele, din apă.

Pentru aceasta am utilizat particule minuscule, absorbante, special concepute pentru a captura selectiv contaminanți individuali. De exemplu, un tip de particule absorbante poate reţine doar mercur. Alte tipuri elimină, în mod specific, numai cuprul, fierul sau borul.

Ulterior, am încorporat aceste patru tipuri diferite de particule în membrane subțiri din plastic, creând în esență filtre personalizate care să capteze contaminanții în funcție de tipul de particulă introdus în membrană.

Împreună cu un coleg am plasat aceste filtre cu membrană într-un purificator de apă pe bază de electrodializă.

Electrodializa este o metodă care folosește electricitatea pentru a extrage sărurile și toxinele din apă printr-o membrană și într-un flux separat de deșeuri. Aceste deșeuri pot deveni toxice și eliminarea lor este costisitoare în procesele de desalinizare existente.

Această nouă abordare a desalinizării, numită electrodializă cu captare de ioni, folosește membrane subțiri și electricitate pentru a capta metale toxice pe măsură ce sunt extrase din apă împreună cu sărurile.

Electrodializa cu captare de ioni. Credit. Adam Uliana, CC BY-ND

Am sperat că prin electrodializa cu captare de ioni membranele, ce integrează micile particule absorbante de metale, pot captura metalele toxice. Acest lucru ar împlini trei beneficii în același timp, într-o manieră eficientă din punct de vedere energetic: sărurile și metalele ar fi eliminate din apă, metalele toxice ar fi captate într-o membrană mică, ușor de aruncat sau chiar potențial reutilizabilă, iar deșeurile sărate ar fi netoxice.

Cât de eficientă este electrodializa cu captare de ioni?

Odată ce echipa noastră a realizat, cu succes, aceste membrane, a trebuit să le testăm.

Primul test pe care l-am efectuat a folosit filtre cu membrană şi absorbanți de captare a mercurului pentru a purifica apa din trei surse care conțineau atât mercur, cât și săruri: apă subterană, apă sărată și ape uzate industriale.

Am constatat cu satisfacţie că membranele au captat tot mercurul la fiecare test. În plus, membranele au fost, de asemenea, excelente pentru a elimina sarea, mai mult de 97% a fost îndepărtată din apa brută. După o singură trecere prin noua noastră instalaţie de electrodializă, apa era perfect potabilă.

Important, alte experimente au arătat că mercurul nu poate trece prin filtru până când aproape toate particulele absorbante din filtru sunt consumate.

Împreună cu colegii mei am verificat dacă procesul nostru de electrodializă cu captare de ioni funcţionează şi pentru alte metale dăunătoare obișnuite. Am testat trei filtre cu membrană care conțin absorbanți pentru cupru, fier sau bor. Fiecare filtru a fost un succes, captând toți contaminanții țintă, fără ca o cantitate detectabilă să treacă prin filtru, eliminând simultan peste 96% din săruri din apă şi purificând apa.

Procesele tradiționale de desalinizare și purificare produc multe ape uzate, adesea toxice.

Provocări rămase

Rezultatele noastre arată că noua noastră metodă de purificare a apei poate captura selectiv mulți contaminanți obișnuiți, eliminând în același timp sarea din apă. Dar mai sunt încă alte provocări tehnologice de descoperit.

În primul rând, particulele absorbante foarte selective pe care eu și colegii mei le-am introdus în membrană sunt prea scumpe pentru a fi utilizate în filtre produse în masă. Se pot folosi în filtre absorbanți mai ieftini, dar de calitate inferioară, dar acest lucru ar putea reduce drastic performanța de purificare a apei.

În al doilea rând, inginerii trebuie să testeze electrodializa cu captare de ioni la o scară dimensională mai mare decât cea utilizată în laborator. Problemele pot apărea adesea în noile tehnologii în timpul acestei tranziții de la laborator la industrie.

În cele din urmă, inginerii instalațiilor de tratare a apei ar trebui să găsească o modalitate de a întrerupe procesul tehnologic înainte ca absorbanţii din membrane să nu mai fie eficienţi. În caz contrar, contaminanții toxici ar începe să se scurgă prin filtru în apele reziduale. Inginerii ar putea reporni procesul după înlocuirea filtrului sau după îndepărtarea metalelor din filtru și colectarea lor ca deșeuri separate.

Sperăm că munca noastră va duce la găsirea unor metode prin care să se poată purifica, în mod eficient, surse de apă care sunt mai abundente, dar mai contaminate, decât apa dulce. Cercetările în această direcţie merită efortul depus. La urma urmei, efectele deficitului de apă potabilă sunt uriaşe, atât la nivel social, cât și la nivel mondial.

Traducere după A new way to remove salts and toxic metals from water