Sử dụng bọt Graphene để lọc Uranium và các kim loại nặng khác từ nước uống

Nhóm nghiên cứu do MIT phụ trách đã chế tạo bọt graphene thành thiết bị có thể chiết xuất uranium và các kim loại nặng khác từ nước máy.

Một số loại ô nhiễm nước, chẳng hạn như tảo nở hoa và nhựa làm hôi sông, hồ và môi trường biển, nằm trong tầm nhìn rõ ràng. Nhưng các chất gây ô nhiễm khác không rõ ràng như vậy, điều này làm cho tác động của chúng trở nên nguy hiểm hơn. Trong số các chất vô hình này có uranium. Rò rỉ vào nguồn nước từ các hoạt động khai thác, các bãi thải hạt nhân hoặc từ các trầm tích dưới lòng đất tự nhiên, phần tử này hiện có thể được tìm thấy chảy ra từ các vòi trên toàn thế giới.

Riêng tại Hoa Kỳ, “nhiều khu vực bị ảnh hưởng bởi ô nhiễm uranium, bao gồm các tầng chứa nước ở Đồng bằng Cao và Thung lũng Trung tâm, cung cấp nước uống cho 6 triệu người,” Ahmed Sami Helal, một postdoc tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân cho biết. Sự ô nhiễm này gây ra mối nguy hiểm gần và hiện tại. Ju Li, Giáo sư Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân và Kỹ thuật của Liên minh Năng lượng Battelle, đồng thời là giáo sư khoa học và kỹ thuật vật liệu cho biết: “Ngay cả những nồng độ nhỏ cũng có hại cho sức khỏe con người.

Giờ đây, một nhóm nghiên cứu do Li dẫn đầu đã phát minh ra một phương pháp hiệu quả cao để loại bỏ uranium khỏi nước uống. Áp dụng điện tích lên bọt graphene oxit, các nhà nghiên cứu có thể thu giữ uranium trong dung dịch, chất này kết tủa dưới dạng tinh thể rắn ngưng tụ. Bọt có thể được tái sử dụng đến bảy lần mà không làm mất các đặc tính điện hóa của nó. Li cho biết: “Trong vòng vài giờ, quy trình của chúng tôi có thể lọc một lượng lớn nước uống dưới mức giới hạn EPA đối với uranium.

Một bài báo mô tả công việc này đã được xuất bản trong Tài liệu nâng cao của tuần trước. Hai đồng tác giả đầu tiên là Helal và Chao Wang, một postdoc tại MIT trong quá trình nghiên cứu, hiện đang làm việc tại Trường Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu tại Đại học Tongji, Thượng Hải. Các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne, Đại học Chiao Tung Quốc gia Đài Loan và Đại học Tokyo cũng tham gia vào nghiên cứu. Cơ quan Giảm thiểu Đe doạ Quốc phòng (Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ) đã tài trợ cho các giai đoạn sau của công việc này.

Nhắm mục tiêu chất gây ô nhiễm

Dự án được khởi động cách đây 3 năm, bắt đầu như một nỗ lực nhằm tìm ra các phương pháp tiếp cận tốt hơn để làm sạch môi trường đối với kim loại nặng từ các khu khai thác. Cho đến nay, các phương pháp xử lý đối với các kim loại như crom, cadmium, asen, chì, thủy ngân, radium và uranium đã được chứng minh là hạn chế và tốn kém. Helal giải thích: “Những kỹ thuật này rất nhạy cảm với các chất hữu cơ trong nước và rất kém trong việc tách ra các chất gây ô nhiễm kim loại nặng. “Vì vậy, chúng liên quan đến thời gian vận hành lâu, chi phí vốn cao và vào cuối quá trình khai thác, tạo ra nhiều bùn độc hại hơn”.

Đối với nhóm nghiên cứu, uranium dường như là một mục tiêu đặc biệt hấp dẫn. Thử nghiệm hiện trường của Cơ quan Địa chất Hoa Kỳ và Cơ quan Bảo vệ Môi trường (EPA) đã cho thấy mức uranium không lành mạnh di chuyển vào các hồ chứa và tầng chứa nước từ các nguồn đá tự nhiên ở đông bắc Hoa Kỳ, từ các ao và hố lưu trữ vũ khí hạt nhân cũ và nhiên liệu ở những nơi như Hanford , Washington, và từ các hoạt động khai thác ở nhiều bang phía Tây. Loại ô nhiễm này cũng phổ biến ở nhiều quốc gia khác. Một số lượng đáng báo động ở các địa điểm này cho thấy nồng độ uranium gần bằng hoặc cao hơn mức trần khuyến nghị của EPA là 30 phần tỷ (ppb) – một mức liên quan đến tổn thương thận, nguy cơ ung thư và thay đổi hành vi thần kinh ở người.

Thách thức quan trọng nằm ở việc tìm ra một quy trình xử lý thực tế chỉ nhạy cảm với uranium, có khả năng chiết xuất nó từ dung dịch mà không tạo ra dư lượng độc hại. Và trong khi nghiên cứu trước đó chỉ ra rằng sợi carbon tích điện có thể lọc uranium khỏi nước, kết quả là một phần và không chính xác.

Wang đã tìm cách giải quyết những vấn đề này – dựa trên cuộc điều tra của cô ấy về hoạt động của bọt graphene được sử dụng cho pin lithium-lưu huỳnh. Bà nói: “Hiệu suất vật lý của loại bọt này rất độc đáo vì nó có khả năng thu hút một số loại hóa chất lên bề mặt của nó. “Tôi nghĩ rằng các phối tử trong bọt graphene sẽ hoạt động tốt với uranium.”

Đơn giản, hiệu quả và sạch sẽ

Nhóm nghiên cứu bắt đầu làm việc để biến bọt graphene thành tương đương với nam châm uranium. Họ học được rằng bằng cách gửi một điện tích qua bọt, tách nước và giải phóng hydro, họ có thể làm tăng độ pH cục bộ và tạo ra sự thay đổi hóa học kéo các ion uranium ra khỏi dung dịch. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng uranium sẽ tự ghép vào bề mặt của bọt, nơi nó tạo thành một dạng tinh thể uranium hydroxit chưa từng thấy trước đây. Khi đảo chiều điện tích, khoáng chất giống vảy cá dễ dàng trượt ra khỏi bọt.

Phải mất hàng trăm lần thử để có được thành phần hóa học và sự điện phân vừa phải. Helal nói: “Chúng tôi liên tục thay đổi các nhóm hóa học chức năng để chúng hoạt động chính xác. Wang cho biết: “Ban đầu bọt khá mỏng manh, có xu hướng vỡ thành nhiều mảnh, vì vậy chúng tôi cần phải làm cho nó chắc và bền hơn.

Quá trình lọc uranium này rất đơn giản, hiệu quả và sạch sẽ, theo Li: “Mỗi lần sử dụng, bọt của chúng tôi có thể thu được gấp 4 lần trọng lượng uranium của chính nó và chúng tôi có thể đạt được công suất chiết xuất là 4.000 mg mỗi gam, tức là cải tiến lớn so với các phương pháp khác, ”ông nói. “Chúng tôi cũng đã tạo ra một bước đột phá lớn trong khả năng tái sử dụng, vì bọt có thể trải qua bảy chu kỳ mà không làm mất hiệu quả chiết xuất của nó.” Bọt graphene hoạt động tốt trong nước biển, nơi nó làm giảm nồng độ uranium từ 3 phần triệu xuống 19,9 ppb, cho thấy rằng các ion khác trong nước muối không cản trở quá trình lọc.

Nhóm nghiên cứu tin rằng thiết bị hiệu quả, chi phí thấp của họ có thể trở thành một loại bộ lọc nước gia đình mới, phù hợp với vòi nước như của các thương hiệu thương mại. Li nói: “Một số bộ lọc này đã có than hoạt tính, vì vậy có thể chúng ta có thể sửa đổi chúng, thêm điện hạ thế để lọc uranium.

Ho Jin Ryu, phó giáo sư kỹ thuật hạt nhân và lượng tử tại Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Hàn Quốc cho biết: “Việc khai thác uranium mà thiết bị này đạt được là rất ấn tượng khi so sánh với các phương pháp hiện có. Ryu, người không tham gia vào nghiên cứu, tin rằng việc chứng minh khả năng tái sử dụng bọt graphene là một “tiến bộ đáng kể” và “công nghệ kiểm soát độ pH cục bộ để tăng cường lắng đọng uranium sẽ có tác động vì nguyên tắc khoa học có thể được áp dụng chung hơn để khai thác kim loại nặng từ nước ô nhiễm. ”

Các nhà nghiên cứu đã bắt đầu điều tra các ứng dụng rộng rãi hơn của phương pháp của họ. Li cho biết: “Có một khoa học cho điều này, vì vậy chúng tôi có thể sửa đổi các bộ lọc của mình để chọn lọc các kim loại nặng khác như chì, thủy ngân và cadmium. Ông lưu ý rằng radium là một mối nguy hiểm đáng kể khác đối với các địa phương ở Hoa Kỳ và những nơi khác thiếu nguồn lực cho cơ sở hạ tầng nước uống đáng tin cậy.

“Trong tương lai, thay vì bộ lọc nước thụ động, chúng tôi có thể sử dụng bộ lọc thông minh chạy bằng điện sạch bật hoạt động điện phân, có thể chiết xuất nhiều kim loại độc hại, cho bạn biết khi nào cần tái tạo bộ lọc và đảm bảo chất lượng cho bạn về nước bạn đang uống. “

Tham khảo: “Sự lắng đọng điện phân Uranium tại chỗ với điện cực bọt Graphene có chức năng tái sử dụng” của Chao Wang, Ahmed S. Helal, Ziqiang Wang, Jian Zhou, Xiahui Yao, Zhe Shi, Yang Ren, Jinhyuk Lee, Jeng-Kuei Chang, Bunshi Fugetsu và Ju Li, ngày 4 tháng 8 năm 2021, Vật liệu nâng cao .
DOI: 10.1002 / adma.202102633

Theo Scitechdaily