Ein ungiftiger Katalysator für sauberes, wiederverwendbares Wasser

Platin hat einen neuen „Goldstandard“ im Schmuckbereich gesetzt und ist nun dabei, die Qualität Ihres Wassers zu verbessern.

Da die Abwasserbehandlung für die Wiederverwendung von Trinkwasser zu einer praktikableren und beliebteren Option wird, um Wasserknappheit anzugehen, stellt sich die Frage, welche schädlichen Nebenprodukte bei der Behandlung entstehen könnten und wie man sie angeht. Eine Gruppe dieser Chemikalien, Aldehyde, ist dafür bekannt, dass sie durch die Behandlung hartnäckig bestehen bleiben. Aldehyde sind für den Menschen giftig und werden in den kommenden Wiederverwendungsvorschriften ganz oben auf der Liste der regulierten Nebenprodukte stehen, glauben USC-Forscher, und erfordern eine nachhaltige Methode, um sie aus unserem Trinkwasser zu entfernen.

In einer Studie veröffentlicht in Umweltwissenschaft und -technologie, führen Forscher der USC Viterbi School of Engineering Platin ein, um selbst die hartnäckigsten Giftstoffe aus dem Abwasser zu entfernen. Platin, das gleiche Metall, das in Katalysatoren zur Reinigung von Luftschadstoffen in Autoabgasen verwendet wird, kann als Katalysator dienen, sagte Dan McCurry, Assistenzprofessor für Bau- und Umweltingenieurwesen, und beschleunigt die Oxidation, um einst giftige Aldehyde in harmlose Carbonsäuren umzuwandeln.

Wenn Abwasser recycelt wird, so McCurry, ist das resultierende Wasser „sehr rein, aber nicht 100 Prozent rein. Dies habe die Menschen jahrelang verwirrt, sagte er, insbesondere weil der Kohlenstoff in der Lage sei, so viele Behandlungsschichten und Barrieren zu überwinden.

Eine Studie des Forschers David Sedlak von der UC Berkeley ergab, dass „ein Drittel bis die Hälfte„Diese Moleküle liegen in Form von Aldehyden vor, sagte McCurry. Aldehyde sind chemische Verbindungen, die durch ein Kohlenstoffatom gekennzeichnet sind, das eine Doppelbindung mit einem Sauerstoffatom, eine Einfachbindung mit einem Wasserstoffatom und eine Einfachbindung mit einem anderen Atom teilt oder Gruppe von Atomen dar. Außerdem sind sie für den Menschen im Allgemeinen giftig, was bedeutet, dass ihr langfristiger Verzehr zu einer Vielzahl von chronischen und lebensbedrohlichen Krankheiten wie Krebs führen kann.

Die katalytische Oxidation organischer Schadstoffe in Wasser ohne Elektrochemie, Zugabe von elektronenaufnehmenden Oxidationschemikalien oder Photochemie sei bisher nicht nachhaltig nachgewiesen worden, sagte McCurry. Bis jetzt.

Eine Lösung für ein bevorstehendes Problem

McCurry erinnerte sich, dass er in einem Kurs über organische Chemie, den er während seines Studiums an der Stanford University absolvierte, etwas über Oxidationsmittel gelernt hatte, die zur Synthese von Molekülen verwendet wurden. „Der TA ging eine Liste von Oxidationsmitteln durch, die von Synthesechemikern verwendet werden, und Platinkatalysatoren fielen mir auf. Es ist nicht nur eines der wenigen Oxidationsmittel, das ungiftig ist, sondern es kann den Sauerstoff im Wasser nutzen, um abiotisch eine Reaktion zu katalysieren ( ohne die Verwendung von Mikroben).“

„Es war wirklich aufregend für mich“, sagte McCurry, „weil es bei der Wasseraufbereitung immer frustrierend war, dass Wasser voller Sauerstoff ist, aber nicht wirklich etwas bewirkt.“

Es gibt ungefähr acht Milligramm pro Liter gelösten Sauerstoff in Wasser, sagte McCurry. Während es aus thermodynamischer Sicht ein starkes Oxidationsmittel ist, sagte McCurry, ist die Reaktion langsam. Mit Platin beschleunigt sich der Prozess. Eine Zeit lang verwendeten McCurry und sein Forscherteam Platin, um verschiedene Pharmazeutika experimentell zu oxidieren.

„Wir wussten, dass wir bestimmte Dinge oxidieren können, aber wir hatten keine klare Anwendung für diesen Katalysator im Sinn“, sagte McCurry. Letztendlich hofften sie, eine wirkungsvolle Anwendung für ihre Arbeit zu finden. Schließlich, nach einem Jahr des Experimentierens, kam ihm die Idee, als er mit dem Fahrrad vom Campus in Stanford nach Hause fuhr. „Was wäre, wenn wir Platin in der Wasseraufbereitung verwenden könnten, um Schadstoffe zu oxidieren?“ er sagte. „Es würde im Wesentlichen kostenlos passieren, und da der Sauerstoff bereits im Wasser ist, kommt man einer chemikalienfreien Oxidation am nächsten.“

McCurry räumt ein, dass Platin teuer ist, stellt aber auch fest, dass die Kosten, wie für den Katalysator eines Autos, relativ sind. „Ihr Auto enthält wahrscheinlich zwischen einem und zehn Gramm Platin. Die Menge ist nicht trivial. Wenn es billig genug ist, um einen Honda Civic einzubauen, ist es wahrscheinlich billig genug, um eine Wasseraufbereitungsanlage einzubauen“, sagte McCurry.

Der Durchbruch, sagte McCurry, sei für die meisten bestehenden Wasserwiederverwendungsanlagen nicht so relevant, da viele von ihnen die „indirekte Wiederverwendung von Trinkwasser“ bevorzugen. Hier wird, nachdem alle Wasseraufbereitungs- und Recyclingprozesse abgeschlossen sind, Wasser zurück in den Boden gepumpt – so entsteht im Wesentlichen neues Grundwasser. „Sobald sie im Boden sind, fressen wahrscheinlich einige Mikroben die Aldehyde und das Wasser wird auf diese Weise gereinigt“, sagte er.

„Aber immer mehr Menschen sprechen über die direkte Wiederverwendung von Trinkwasser“, sagte er, „wobei wir über einen geschlossenen Wasserkreislauf sprechen, bei dem Wasser von der Kläranlage zur Wiederverwendungsanlage und dann entweder zu einer Trinkwasseranlage oder direkt hinein fließt das Verteilungssystem in Privathaushalte und Unternehmen.“

In diesen Fällen könnten Aldehyde möglicherweise die Verbraucher erreichen, sagte McCurry. Obwohl sie derzeit nicht reguliert sind, vermutet McCurry, dass das Vorhandensein von Aldehyden in recyceltem Abwasser bald behördliche Aufmerksamkeit erregen wird. „Das ist das Problem, von dem wir nicht wussten, dass wir eine Lösung dafür haben, aber jetzt wissen wir, dass dieser Katalysator, den wir zum Spaß zum Oxidieren zufälliger Pharmazeutika verwendet hatten, hervorragend bei der Oxidation von Aldehyden funktioniert – und eine direkte Wiederverwendung von Trinkwasser ermöglichen würde um zukünftige behördliche Richtlinien und Sicherheitsstandards zu erfüllen“, sagte er.

Das Team führte ein Vorexperiment mit Platin in Batch-Reaktoren mit einigen Gallonen Wasser durch. Die Experimente waren erfolgreich, aber McCurry sagt, damit sich dies in der Massenproduktion durchsetzt, müssten zusätzliche Untersuchungen darüber durchgeführt werden, wie lange der Katalysator aktiv bleibt. Das Team untersucht auch, wie der Katalysator möglicherweise regeneriert werden kann. McCurry sagt, dass es auch wichtig sein wird, das System mit schmutzigerem Wasser zu testen, das den Katalysator verschmutzen und ihn weniger effektiv machen kann.

Der Prozess, für den das Team ein Patent angemeldet hat, wird voraussichtlich nachhaltiger sein als alternative Methoden, die möglicherweise die Einführung zusätzlicher Chemikalien und Energie erfordern, sagte McCurry.