Metale ciężkie będzie można usunąć z wody za pomocą gąbki

Metale ciężkie stanowią poważne zagrożenie dla zdrowia publicznego i ekosystemów na całym świecie, zwłaszcza te emitowane przez procesy przemysłowe. Ich obecność w wodzie, która jest m.in. spożywana przez ludzi i zwierzęta, to istotny problem i może prowadzić do szerokiego spektrum negatywnych skutków zdrowotnych, takich jak: opóźnienie rozwoju, uszkodzenie nerek, zwiększone ryzyko nowotworów i uszkodzenia wątroby czy płuc. W przypadku dużego stężenia i długiego czasu ekspozycji istnieje nawet ryzyko śmierci.

Metale ciężkie i ich występowanie w wodzie

Powszechnie występujące w wodzie metale ciężkie to mangan, ołów, arsen, chrom i miedź. Według Programu Środowiskowego ONZ prawie 40% zbiorników wodnych w 89 krajach jest silnie zanieczyszczonych, w tym właśnie metalami ciężkimi. Największe zagrożenie, według oceny ryzyka z 2019 r., występuje w wodzie pitnej i wodach gruntowych w Meksyku, Arabii Saudyjskiej, Indiach, Bangladeszu, Chinach, Chile, Tajlandii i Iranie. Na przykład w Sonora w Meksyku około 43% próbek wody pitnej ze zbiorników magazynowych i studni miało podwyższone poziomy kadmu, arsenu, rtęci, miedzi, ołowiu .

Stężenia kadmu, ołowiu i miedzi w wodzie pitnej w dziesięciu miastach Arabii Saudyjskiej przekraczały wartość zalecaną. W Indiach średnie stężenia arsenu, manganu, chromu, ołowiu, niklu i cynku w wodzie pitnej były wyższe niż wytyczne WHO, a w Bangladeszu aż 42,1% próbek wody miało stężenie arsenu  powyżej 50 μg/l.

Te przerażające liczby pokazują, dlaczego nasza planeta boryka się z poważnym kryzysem wodnym, a problem ten narasta z każdym dniem. Przewiduje się, że do roku 2030 zapotrzebowanie na słodką wodę przekroczy globalną podaż.

Postęp w dziedzinie nanotechnologii w detoksykacji wody

W ostatnich latach naukowcy dokonali znaczących postępów w dziedzinie nanotechnologii, zwłaszcza w projektowaniu adsorbentów służących do detoksykacji wody i odzyskiwania cennych metali. Nanomateriały wykazują unikalne właściwości adsorpcyjne, które umożliwiają efektywne usuwanie metali ciężkich z zanieczyszczonej wody. Niestety stosowanie nanomateriałów na dużą skalę i ich dobranie do konkretnych zastosowań dotychczas stanowiło prawdziwe wyzwanie.

Inżynierowie z Northwestern University w Illinois wprowadzili na rynek eksperymentalną gąbkę, która usuwa metale ciężkie, w tym toksyczne (np. ołów) i krytyczne (np. kobalt), z zanieczyszczonej wody, pozostawiając ją bezpieczną do spożycia. Wyniki badań zostały opublikowane 10 maja br. w czasopiśmie „ACS ES&T Water”. Ta nowa technologia opiera się na wcześniejszych badaniach prowadzonych przez zespół naukowców, których celem było opracowanie wysoce porowatych materiałów do rekultywacji środowiska.

Vinayak Dravid, autor badań, i jego zespół opracowali innowacyjne rozwiązanie w dziedzinie rekultywacji środowiska poprzez stworzenie materiału o wysokiej porowatości. Już w maju 2020 r. zespół zaprezentował gąbkę, która doskonale radzi sobie z usuwaniem wycieków oleju. Jednak naukowcy szybko zauważyli, że może ona usuwać tylko olej, a nie toksyczne metale ciężkie, nieodłączny element wycieku. Wystarczyło pokryć ją ultracienką warstwą nanocząsteczek, by osiągnąć pożądane rezultaty.

Metale ciężkie możliwe do usunięcia dzięki powłoce getytu z domieszką manganu

Podczas badań naukowcy przetestowali wiele różnych rodzajów nanocząstek i odkryli, że najbardziej efektywna jest powłoka zrobiona z getytu z domieszką manganu. Jej produkcja jest niedroga, a niezbędne składniki łatwo dostępne. To oznacza, że technologia ta może być wykorzystywana na szeroką skalę i może sprostać potrzebom przemysłowym i środowiskowym.

Wykorzystanie jej może prowadzić do zmniejszenia kosztów związanych z usuwaniem metali ciężkich. A co najważniejsze, nanocząstki getytu domieszkowane manganem są nietoksyczne dla ludzi oraz mają właściwości, które są niezbędne do selektywnej remediacji metali ciężkich. Ich struktura pozwala na wybiórcze wiązanie i usuwanie metali ciężkich, jednocześnie pozostawiając inne składniki środowiskowe w stanie nienaruszonym. To umożliwia bardziej precyzyjne i skuteczne oczyszczanie.

Tak opracowaną mieszanką materiałów getytowych z manganem i innymi rodzajami nanocząstek naukowcy pokryli łatwo dostępne na rynku gąbki celulozowe. Następnie spłukali je wodą, aby usunąć luźne cząstki i zanurzyli w zanieczyszczonym zbiorniku. Powlekane gąbki są zdolne do skutecznego wychwytywania jonów ołowiu.

Po zakończonym procesie filtrowania ołowiu, gąbkę przepłukano lekko kwaśną wodą w celu uwolnienia zebranych jonów i przygotowania jej do ponownego użycia. Dzięki temu cykl może być powtarzany. Chociaż wydajność gąbki spada, nadal jest w stanie usunąć ponad 90% jonów ołowiu z próbek w kolejnych cyklach. Ta innowacyjna technologia wielokrotnego użytku tworzy perspektywę dla zrównoważonego oczyszczania wody i rekultywacji środowiska.

Gąbka wielkokrotnego użytku szansą na skuteczne i niedrogie filtrowanie wody

Odkrycie inżynierów z Northwestern University może mieć znaczący wpływ na dostęp do czystej wody pitnej oraz na rekultywację środowiska. Odkrycie gąbki wielokrotnego użytku, która usuwa metale ciężkie i opracowanie nowych wytycznych to kluczowe kroki w kierunku dostarczenia niedrogiego i łatwego w użyciu urządzenia do filtracji wody w domach lub do rekultywacji środowiska dla różnych gałęzi przemysłu. Gąbka wielokrotnego użytku może znacznie zmniejszyć koszty związane z zakupem i wymianą tradycyjnych filtrów, co czyni ją atrakcyjnym rozwiązaniem dla osób poszukujących przystępnych cenowo i efektywnych rozwiązań do oczyszczania wody.

Oczyszczanie wody stanowi niezwykle istotne zagadnienie, które stale ewoluuje. W jednym z moich wcześniejszych artykułów omówiłam jeden ze sposobów, jak radzić sobie z problemem zanieczyszczonej wody bakteriami. Jednakże, badania w tej dziedzinie nieustannie postępują, o czym na pewno będziemy informować w kolejnych wydaniach “Wodnych Spraw”.