Adsorptionsmaterial filtert giftiges Chrom und Arsen aus Wasservorräten

Forscher des Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums gehen ein globales Wasserproblem mit einem einzigartigen Material an, das nicht auf einen, sondern auf zwei giftige Schwermetallschadstoffe zur gleichzeitigen Entfernung abzielt.

Santa Jansone-Popova von der Abteilung für chemische Wissenschaften am ORNL und Ping Li, jetzt bei Elementis Global, haben ein Adsorbens mit hoher Selektivität für Chrom und Arsen unter realen Bedingungen entdeckt, wo Wasserressourcen viele chemisch ähnliche Elemente enthalten.

Ergebnisse veröffentlicht in Klein zeigten, dass das neue Material Chrom und Arsen in einem ausgewogenen Verhältnis von 2 zu 1 einfängt. Der grundlegende Fortschritt schafft Synergien zwischen Chrom- und Arsenabscheidung, sodass je mehr Chrom das Material aufnimmt, desto mehr Arsen kann es auch entfernen.

„Es kommt selten vor, dass ein Adsorptionsmittel zwei Schadstoffe gleichzeitig einfängt und in realistischen Szenarien schnell und effizient arbeitet, um das breite Spektrum der Wasserbedingungen weltweit zu bewältigen“, sagte Jansone-Popova.

Chrom und Arsen gehören weltweit zu den gefährlichsten Schadstoffen im Trinkwasser. Beide sind giftig und können nachteilige Auswirkungen auf die Gesundheit haben, einschließlich Krebs. Selbst niedrige Konzentrationen stellen erhebliche Risiken für lebende Organismen dar, da Dosen bioakkumulieren oder sich mit jeder Exposition aufbauen und allmählich schädliche Mengen erreichen können. Diese Elemente kommen natürlich vor, aber ihr Vorkommen in der Umwelt hat mit der Industrie und Verstädterung als Nebenprodukte des breiten Abbaus, der Produktion und der Fertigung zugenommen. Freisetzungen wirken sich auf Luft, Boden und Wasser aus, aber Trinkwasser ist der häufigste Expositionsweg.

In Wasser lösen sich diese Metalle unter Bildung von Chromat- und Arsenat-Oxoanionen oder Salzen auf, die den nützlichen Mineralien, die natürlicherweise in Wasser vorhanden sind, chemisch ähnlich sind, einschließlich Phosphat, Sulfat, Nitrat und Bicarbonat. Chromat und Arsenat sind im Wasser sehr mobil und können weitreichende Auswirkungen haben. Sie werden nicht abgebaut und sind ohne Eingriff dauerhaft in der Umwelt vorhanden. Um diese Metalle von harmlosen, für das Ökosystem lebenswichtigen Mineralsalzen zu trennen, sind gezielte Ansätze erforderlich.

Jansone-Popova ist Teil einer ORNL-Gruppe, die sich auf die Untersuchung von Adsorbentien spezialisiert hat, Materialien, die darauf ausgelegt sind, bestimmte Elemente anzugreifen und sie an eine Oberfläche zu binden. Adsorbentien finden breite Anwendung bei der Rückgewinnung von Edelmetallen oder der Entfernung von Schadstoffen aus der Umwelt.

„Sie sind eine der vielversprechendsten Wasseraufbereitungsoptionen, weil sie erschwinglich, einfach einzusetzen und schnell zum Filtern der Wasserversorgung arbeiten können, aber sie müssen für den praktischen Einsatz in Reinigungsszenarien maßgeschneidert werden“, sagte Jansone-Popova. „Die Herausforderung besteht darin, Materialien zu entwickeln, die Spuren von schädlichen Elementen effektiv isolieren können, die den im Wasser vorkommenden Massenchemikalien sehr ähnlich sind.“

Beim Design von Adsorptionsmitteln ist Selektivität entscheidend. Da die Oberfläche eines Materials begrenzten Platz bietet, besteht das Ziel darin, nur bestimmte Elemente zu greifen und so viel wie möglich einzufangen, bevor das Adsorptionsmittel voll ist und ersetzt oder recycelt werden muss. Schlecht selektiven Materialien mangelt es an Präzision, um Ziele in gemischten Umgebungen wie Wasser zu identifizieren, wo ähnliche Elemente um den Weltraum konkurrieren.

Jansone-Popova leitete zuvor die Entwicklung eines Adsorptionsmittels mit hoher Selektivität für Chromat, das schnell und in Gegenwart konkurrierender Spezies zur Dekontaminierung von Wasser wirkt. Eine Studie veröffentlicht in Umweltwissenschaft und -technologie zeigten, dass das neuartige Material die Chromatkonzentrationen innerhalb einer Minute um das 100-fache verringerte (1 Teil pro Million bis 10 Teile pro Milliarde) und ein Niveau erreichte, das eine Größenordnung unter den von der US-Umweltschutzbehörde festgelegten zulässigen Grenzwerten lag.

Die Zusammenarbeit mit Ping Li baut auf dem Ansatz auf, einen Rahmen für die Erfassung von Chromat und Arsenat mit einem Material zu entwickeln.

„Unser Ausgangsmaterial ist hochwirksam darin, Chrom in seiner giftigsten Form, dem sechswertigen Chrom, einzufangen, aber der Ansatz war nicht darauf ausgelegt, selektiv für Arsen zu sein“, sagte Li. „Während diese Reaktion abläuft, ändert sich jedoch das Material und schafft eine Plattform für neue Chemien.“

Die Forscher modifizierten die ursprüngliche Struktur, um eingefangenes Chrom-6 in einen weniger toxischen Zustand, Chrom-3, zu reduzieren. Chrom-3 hat auch den Vorteil, einen Ankerpunkt zur Bindung von Arsenat bereitzustellen. Die neue Struktur ermöglicht eine chemische Reaktion, die stabile Chromat-Arsenat-Cluster bildet, die stark an die Oberfläche gebunden sind. Das Ergebnis fängt die Giftstoffe effektiv dauerhaft ein, da sie ohne absichtliche Entfernung durch chemische Verarbeitung nicht abgewaschen oder vom Filtermaterial gelöst werden.

„Wir haben die effiziente Abscheidung von sechswertigem Chrom genutzt, um eine neue Architektur einzuführen, die auch Arsen binden kann“, sagte Li.

Chromarsenat, das einst als Zusatzstoff in kesseldruckimprägniertem Holz verwendet wurde, lieferte die Inspiration für die Struktur.

Das Team hat die Struktur patentieren lassen und arbeitet mit Partnern daran, den Ansatz auf andere Umweltschadstoffe auszudehnen.

„Grundlegende Entdeckungen wie diese können uns helfen, giftige Schadstoffe in der Umwelt zu reduzieren und die gesetzlichen Ziele für sauberes Wasser zu erreichen“, sagte Jansone-Popova.