Многоразовая фильтрующая губка вобрала из воды свинец и ценный кобальт

Инженеры из Северо-Западного университета, штат Иллинойс, разработали фильтр-губку, которая может вбирать из воды тяжёлые металлы, включая такие токсичные как свинец. Также изобретение поглощает из загрязнённой воды и критически важные — потому что дорогие — металлы, например кобальт. После очистки отфильтрованная таким образом вода становится безопасной, то есть пригодной для питья. На главной иллюстрации «ржаной сухарик» слева — это губка, покрытая наночастицами, а рядом — её основа, целлюлозная губка без покрытия.


Учёные испытали полученную губку на сильно загрязнённом образце водопроводной воды, с содержанием свинца в одну часть на миллион. При однократном использовании губка отфильтровала свинец до уровня, когда его уже нельзя было обнаружить. После применения исследователи также смогли успешно извлечь из неё металлы и повторно использовать фильтр несколько раз.

Новая губка — это и возможность недорогих, простых в использовании домашних фильтров для воды, и средство для восстановления окружающей среды в крупных масштабах. Исследование опубликовали в научном журнале ACS ES&T Water. В статье изложили также условия для извлечения из воды других ядовитых тяжёлых металлов, включая кадмий, мышьяк, кобальт и хром.

Винаяк Дравид, старший автор исследования, и Абрахам Харрис, профессор материаловедения и инженерии, рассказали, что тяжёлые металлы в системе водоснабжения — это огромная проблема общественного здравоохранения для всего мира. Эта гигантская проблема требует легко применимых, эффективных и недорогих решений. Именно таким выходом инженеры считают изобретённую губку: она может удалять загрязнения, а затем использоваться снова и снова.

Проект основан на предыдущей работе коллектива Винаяка Дравида по созданию высокопористых губок для восстановления окружающей среды. В мае 2020 года учёные представили губку для очистки от разливов нефти. Губка с наночастицами, которую уже выпускает на рынок дочерняя компания MFNS Tech, — это эффективная многоразовая альтернатива прочим способам ликвидировать разливы нефти.

Но уже тогда, годы тому назад, Винаяк Дравид понимал, что этого достижения недостаточно.


— Винаяк Дравид, Северо-Западный университет.

Чтобы решить проблему, команда Дравида снова обратилась к губкам, покрытым ультратонким слоем наночастиц. После тестирования множества вариантов они обнаружили, что гётитовое покрытие, легированное марганцем, работает лучше всего. (Между прочим, форму железной руды назвали гётитом в честь немецкого поэта и учёного Иоганна Вольфганга фон Гёте). Наночастицы гётита с добавлением марганца — недорогие, легкодоступные и нетоксичные для человека. И они обладают свойствами, необходимыми для выборочного удаления тяжёлых металлов.

Бенджамин Шиндель, аспирант лаборатории Дравида, пояснил, что был нужен материал с большой площадью поверхности, чтобы ионам свинца нашлось побольше места для прилипания. У выбранных наночастиц не только большая общая поверхность и много участков для поглощения вредных примесей — они также устойчивы, поэтому их можно использовать многократно.

Инженеры синтезировали взвеси наночастиц гётита, легированных марганцем, а также несколько других композиций наночастиц. Затем покрыли этими «болтушками» купленные в магазине целлюлозные губки. Затем они промыли модифицированные губки водой, чтобы смыть свободные частицы. Толщина покрытий в итоге составила всего несколько десятков нанометров.

При погружении в загрязнённую воду губка, покрытая наночастицами, эффективно поглощала ионы свинца. Управление по контролю за продуктами питания и лекарствами США требует, чтобы содержание свинца в продаваемой питьевой воде было менее 5 частей на миллиард. В ходе фильтрации новая губка снизила содержание свинца примерно до 2 частей на миллиард, что делает воду вполне безопасной для питья.



Затем изобретатели ополоснули губку слегка подкислённой водой, которую Шиндель сравнил с «кислотностью лимонада». Кислотный раствор высвободил ионы свинца, и фильтрующая губка была готова к повторному использованию. Хотя её производительность и снизилась после первого раза, она по-прежнему извлекала более 90% ионов во время последующих циклов использования.

Способность собирать, а затем отдавать тяжёлые металлы — особенно ценная для удаления из источников воды того же кобальта. Кобальт — это компонент литий-ионных аккумуляторов, а потому стоит дорого и много значит с точки зрения энергетики. А его добыча сопровождается ущербом для природы и человеческими издержками. Достаточно упомянуть историю добычи кобальта в Демократической Республике Конго.

Итак, если разработать губку, которая избирательно удаляет из воды лишь кобальт, это было бы очередным прорывом для экономики. В противном случае в мире не хватит сырья для растущего производства аккумуляторов, добавил Дравид.

А пока учёные описали свои выводы, которые помогут другим исследователям извлекать тяжёлые металлы. Разработка для восстановления окружающей среды получила название Nanomaterial Sponge Coatings («Покрытия из наноматериалов для губок»), или «Наносхема». Дравид с коллегами предполагают, что их губку можно было бы использовать в домашних фильтрах для воды, для очистки окружающей среды и для дополнительной подготовки воды на производстве.