La nueva “navaja suiza” limpia la contaminación del agua

Los coautores Vinayak Dravid y Stephanie Rept examinan el sustrato de restauración y eliminación de fosfato. Crédito: Universidad Northwestern

Use la nueva esponja por primera vez para absorber el aceite en el agua, ya que funciona para aislar el exceso de fosfato del agua.

La contaminación de ríos, lagos y otras vías fluviales con fosfatos ha alcanzado niveles peligrosos, provocando la proliferación de algas que privan de oxígeno a los peces y las plantas acuáticas. Mientras tanto, los agricultores de todo el mundo se enfrentan a la disminución de las reservas de fertilizantes fosfatados que suministran la mitad del suministro mundial de alimentos.

Inspirado por los muchos cuerpos de agua cercanos de Chicago, A. Northwestern UniversityUn equipo dirigido por Estados Unidos desarrolló un método para eliminar y reutilizar con frecuencia los fosfatos del agua contaminada. Los investigadores compararon la evolución con una “navaja suiza” para tratar la contaminación, ya que acondicionan sus membranas para absorber y posteriormente liberar otros contaminantes.

La investigación se publicará durante la semana del 31 de mayo de 2021. procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.

El fósforo es compatible tanto con la dieta del mundo como con toda la vida en la Tierra. Todo organismo vivo en este planeta requiere esto: el fósforo se encuentra en las membranas celulares, andamios ADN Y en nuestro esqueleto. Aunque otros elementos importantes como el oxígeno y el nitrógeno están presentes en la atmósfera, el fósforo no tiene análogos. La pequeña fracción de fósforo utilizable proviene de la corteza terrestre, cuya superación lleva miles o incluso millones de años. Y nuestras minas se están acabando.

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Un artículo de Julia Rosen en The Atlantic en 2021 citaba un artículo escrito por Isaac Asimov en 1939 en el que el escritor y químico estadounidense describía el fósforo como “el cuello de botella de la vida”.

Dada la escasez de este recurso natural no renovable, es irónico, desafortunadamente, que muchos de nuestros lagos sufren un proceso conocido como eutrofización, que ocurre cuando demasiados nutrientes ingresan a una fuente natural de agua. A medida que se acumulan los fosfatos y otros minerales, las plantas acuáticas y las algas se vuelven muy densas, agotando el oxígeno del agua y finalmente matando la vida acuática.

“Solíamos reutilizar mucho los fosfatos”, dijo Stephanie Rept, autora del primer artículo. “Ahora lo sacamos del suelo y lo usamos una vez y lo tiramos a las fuentes de agua después de usarlo. Por lo tanto, es un problema de contaminación, un problema de sostenibilidad y un problema de economía circular”.

Los ecologistas e ingenieros han desarrollado tradicionalmente tácticas para abordar las crecientes preocupaciones ambientales y de salud pública sobre los fosfatos al eliminar los fosfatos de las fuentes de agua. Es solo recientemente que el enfoque se ha desplazado de la eliminación del fosfato a su recuperación.

“Siempre se pueden hacer ciertas cosas en un laboratorio”, dijo Vinayak Dravid, el autor correspondiente del estudio. “ Pero hay un diagrama de Venn cuando se trata de escalar, donde necesitas poder escalar la tecnología, quieres que sea eficiente y quieres que sea asequible. No había nada en esa intersección de los tres anteriores, pero parece que nuestra esponja es una plataforma que se adapta a Todos estos criterios “.

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Dravid es el profesor Abraham Harris de ciencia e ingeniería de materiales en la Escuela de Ingeniería McCormick de la Universidad Northwestern, director fundador del Centro Experimental de Caracterización Atómica y Nanoescala de la Universidad Northwestern (NUANCE) y director de recursos experimentales para nanotecnología blanda e híbrida (SHyNE). . Dravid también se desempeña como Director de Iniciativas Globales en Northwestern International Nanotechnology Institute. Repett es un Ph.D. Estudiante en Dravid’s Laboratory y primer autor del artículo.

Una membrana de panel liviana para la eliminación y recuperación de fosfato (PERLA) es un sustrato poroso y flexible (como una esponja, tela o fibra recubierta) que aísla selectivamente hasta el 99% de los iones de fosfato del agua contaminada. La membrana PEARL, cubierta con nanoestructuras unidas a fosfato, se puede ajustar controlando el pH para absorber o liberar nutrientes para permitir la recuperación de fosfato y la reutilización de la membrana durante varios ciclos.

Los métodos actuales de eliminación de fosfato se basan en métodos complejos, largos y de varios pasos. La mayoría de ellos tampoco recuperan los fosfatos durante la eliminación y, en última instancia, producen una gran cantidad de desechos físicos. La membrana PEARL proporciona un proceso simple de un solo paso para eliminar los fosfatos que también se recuperan de manera eficiente. También es reutilizable y no genera ningún desperdicio de material.

Usando muestras de un área de recuperación de agua de Chicago, los investigadores probaron su teoría con la complejidad adicional de las muestras de agua reales.

“Esto a menudo se denomina la solución a nanoescala para el problema de las gigatoneladas”, dijo Dravid. “En muchos aspectos, las interacciones a nanoescala que estamos estudiando tienen implicaciones para el procesamiento a nivel macro”.

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El equipo demostró que el enfoque basado en esponjas es eficaz en escalas, que van desde miligramos a kilogramos, lo que sugiere la promesa de expandirse aún más.

Esta investigación se basa en un desarrollo anterior del mismo equipo: Vikas Nandwana, miembro del grupo Dravid y coautor del estudio actual, fue el primer autor, apodado OHM (Esponja multifuncional hidrofóbica) que usó la misma almohadilla de esponja para selectivamente eliminar y recuperar el aceite producido Acerca de la contaminación por aceite en el agua. Al modificar el recubrimiento de nanomateriales en la membrana, el equipo planea usar el marco similar a “plug and play” para ir tras los metales pesados. Ribet también dijo que se pueden abordar varios contaminantes simultáneamente mediante la aplicación de múltiples materiales con similitudes personalizadas.

“Este desafío del tratamiento del agua llega muy cerca de casa”, dijo Rept. “La cuenca occidental del lago Erie es una de las principales áreas en las que piensa cuando se trata de sequía, y me ha inspirado a aprender más sobre los desafíos del tratamiento del agua en la región de los Grandes Lagos”.

La investigación, “PEARL: Un enfoque terapéutico ambiental sostenible” fue financiada por la National Science Foundation (premio número DMR-1929356). La investigación del artículo utilizó las instalaciones de recursos de SHyNE, con el apoyo del Programa Nacional de Infraestructura Coordinada de Nanotecnología de la NSF (NSF-NCCI).

Benjamin Schindle, Roberto dos Reis y Vikas Nandwana, todos de Northwestern, coescribieron el periódico.

Trinidad Ingles

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