Прорыв в области полимеров может произвести революцию в очистке воды

Мы все видели освежители воздуха Febreze, в которых используется производное кукурузного крахмала для улавливания невидимых загрязнителей воздуха в доме и удаления нежелательных запахов.

Команда исследователей из Корнелла использовала тот же материал, что и в Фебрезе, циклодекстрин, для разработки метода, который может произвести революцию в индустрии очистки воды.

Команду возглавляет Уилл Дихтель, доцент кафедры химии и химической биологии и лауреат стипендии Фонда Макартуров 2015 года. Его группа изобрела пористую форму циклодекстрина, которая поглощает загрязняющие вещества посредством адсорбции со скоростью, значительно превосходящей скорость традиционного активированного угля – в некоторых случаях в 200 раз выше.

Преимущество активированного угля заключается в большей площади поверхности, чем у предыдущих полимеров, изготовленных из циклодекстрина – «больше мест для прилипания загрязняющих веществ», – сказал Дихтель, – но они не связывают загрязняющие вещества так сильно, как циклодекстрин.

«Мы создали первый материал с большой площадью поверхности из циклодекстрина», — сказал Дихтель, — «объединив некоторые преимущества активированного угля с присущими циклодекстрину преимуществами. Объединив лучшие характеристики этих двух материалов, вы получите материал, который даже лучше, чем любой другой класс.

«Эти материалы удалят загрязняющие вещества за считанные секунды, пока вода течет», — сказал он, — «так что существует потенциал для действительно низкоэнергетической, проточной очистки воды, что очень важно».

Более того, циклодекстринсодержащий полимер отличается более простой и дешевой регенерацией, поэтому его можно многократно использовать повторно без наблюдаемой потери производительности.

Результаты примерно 18 месяцев работы опубликованы в журнале Nature 21 декабря.

Поддержка работы поступила от Национального научного фонда через Центр устойчивых полимеров, который объединяет разнообразную команду исследователей из Корнелла, Университета Миннесоты и Калифорнийского университета в Беркли, чтобы открыть высокоэффективные материалы из устойчивых, экологически безопасных материалов. -нефтяные источники.

После открытия полимера циклодекстрина дополнительная поддержка для масштабирования и создания прототипов систем фильтрации была оказана Центром Аткинсона Корнелла по устойчивому будущему.

Исследования начались вскоре после присуждения гранта Национального научного фонда. Вскоре команда Дихтеля обнаружила, что полимер циклодекстрина перспективен для очистки воды. Потратив еще несколько месяцев на анализ материала, Дихтель обратился к Дамиану Хелблингу, доценту кафедры гражданского и экологического строительства. Области исследований Хелблинга включают качество воды, поскольку оно связано со здоровьем человека и экосистемы.

«Моя роль на том начальном этапе, в январе или феврале прошлого года, была консультантом», — сказал Хелблинг, соавтор статьи. «Они сказали: «У нас есть полимер, который может это сделать; к каким проблемам качества воды это можно применить?»

Хелблинг отметил, что его группа бросила вызов полимеру, чего не сделала группа Дихтеля, чтобы проверить, сможет ли он адсорбировать различные смеси загрязнителей при более низких концентрациях, необходимых для реальной очистки воды.

«[Нашим вкладом] было доказательство того, что даже в экологически значимых условиях явления, которые они наблюдали, повторялись. И они были», — сказал Хелблинг.

Возможность вторичной переработки является еще одним преимуществом полимера циклодекстрина, сказал Дихтель. В то время как фильтры с активированным углем должны подвергаться интенсивной термической обработке для регенерации, циклодекстриновые фильтры можно промывать при комнатной температуре метанолом или этанолом. По словам Дихтеля, падения производительности после регенерации не наблюдалось.

Дихтель, чья «Премия гения» Фонда Макартуров составит 625 000 долларов в течение пяти лет, сказал, что часть этой премии пойдет на дальнейшие исследования в области очистки воды циклодекстрином, что в конечном итоге подготовит почву для продукта, который можно будет производить в больших масштабах.

«Традиционно трудно преодолеть разрыв между лабораторным открытием и появлением чего-то в мире, где оно может помочь людям», — сказал он. «Поэтому иметь абсолютно неограниченную поддержку, которую можно прагматично использовать в этом пространстве, действительно ценно».