帶有碳納米管的帶電膜可更快地去除飲用水中的硝酸鹽

水中的硝酸鹽污染長期以來對環(huán)境和人類健康構(gòu)成威脅?，F(xiàn)在，耶魯大學(xué)的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種高效去除硝酸鹽的方法。

化學(xué)與環(huán)境工程助理教授 Lea Winter 提出使用碳納米管制成的帶電膜作為去除飲用水中硝酸鹽的策略。該研究結(jié)果發(fā)表在《自然水》雜志上。

正如溫特所指出的，通常有兩種方法可以去除水中的硝酸鹽：分離和破壞。

“如果你只是分離硝酸鹽，那么最終得到的將是濃縮的廢物流，這些廢物流不可避免地會回到環(huán)境中并回到飲用水中，”她說。“所以如果你能銷毀它就更好了。”

傳統(tǒng)的破壞技術(shù)涉及廢水處理廠通常使用的生物脫氮。但問題是，這些過程非常敏感，即使是 pH 平衡、細胞含量或溫度等細微變化也可能導(dǎo)致整個過程中斷。而且由于你依靠微生物來破壞硝酸鹽，這個過程可能非常緩慢。

為了解決這些障礙，科學(xué)家開發(fā)了電催化工藝。“它的速度要快得多，而且它還能徹底破壞硝酸鹽，這樣就不會產(chǎn)生濃縮的廢物流。”

但溫特指出，盡管這些技術(shù)可以更好地控制過程，但它們也有缺點。經(jīng)典的電化學(xué)過程涉及使用二維平板電極。

她說：“你無法足夠快地將溶液中的硝酸鹽傳送到電極，從而無法有效地在電極表面發(fā)生反應(yīng)。”

溫特的實驗室通過使用由碳納米管和將其結(jié)合在一起的聚合物制成的帶電膜解決了這個問題。

“在這些系統(tǒng)中，我們正在流過電極，但這里的關(guān)鍵不僅在于我們有孔隙并且我們流過它們，而且這些孔隙的尺寸非常小。”

在傳統(tǒng)的二維系統(tǒng)中，最靠近電極表面的流體層(即“邊界層”)約為 100 微米。這個相對較大的邊界層會限制反應(yīng)，因為流體流動(因此硝酸鹽通過該層的速度比反應(yīng)速度慢得多)會限制反應(yīng)速度。

溫特實驗室開發(fā)的膜孔徑約為 50 納米，比傳統(tǒng)膜小 2,000 倍。這意味著硝酸鹽在到達電極表面并發(fā)生反應(yīng)之前必須通過的“慢速”空間要小得多。

“因此，在這種配置下，我們能夠克服這些擴散限制，并且我們開始看到一些非常有趣的特性。”

與大多數(shù)需要金屬才能實現(xiàn)充分硝酸鹽轉(zhuǎn)化的電化學(xué)系統(tǒng)不同，Winter 的膜不含金屬。由于克服了擴散限制，使用碳納米管作為催化劑的膜可以實現(xiàn)與金屬催化劑相當(dāng)?shù)南跛猁}轉(zhuǎn)化率。

該技術(shù)與傳統(tǒng)電化學(xué)過程的區(qū)別是，它大大縮短了破壞硝酸鹽所需的時間。

“從傳統(tǒng)的電化學(xué)過程來看，如果要去除 80% 或 90% 的硝酸鹽，通常需要幾個小時的時間，”她說。“你需要花很長時間進行反應(yīng)，因為要花很長時間才能將所有硝酸鹽都去除到表面。在我們的系統(tǒng)中，通過反應(yīng)器，我們在 15 秒內(nèi)實現(xiàn)了類似的轉(zhuǎn)化率，約為 80%。我們將從幾個小時的時間縮短到 15 秒。”

為了在實際應(yīng)用中測試該技術(shù)，溫特的研究團隊從耶魯大學(xué)校園附近的冬青湖采集了一些水樣，并添加了少量硝酸鹽。

“實際上，轉(zhuǎn)化高濃度要容易得多，所以我們特別想看看這是否適用于代表實際污染水中的低濃度，”她說。“我們?nèi)×四??個濃度，然后我們能夠?qū)⑾跛猁}去除到低于EPA飲用水標準。”

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