带有碳纳米管的带电膜可更快地去除饮用水中的硝酸盐

水中的硝酸盐污染长期以来对环境和人类健康构成威胁。现在，耶鲁大学的研究人员已经开发出一种高效去除硝酸盐的方法。

化学与环境工程助理教授 Lea Winter 提出使用碳纳米管制成的带电膜作为去除饮用水中硝酸盐的策略。该研究结果发表在《自然水》杂志上。

正如温特所指出的，通常有两种方法可以去除水中的硝酸盐：分离和破坏。

“如果你只是分离硝酸盐，那么最终得到的将是浓缩的废物流，这些废物流不可避免地会回到环境中并回到饮用水中，”她说。“所以如果你能销毁它就更好了。”

传统的破坏技术涉及废水处理厂通常使用的生物脱氮。但问题是，这些过程非常敏感，即使是 pH 平衡、细胞含量或温度等细微变化也可能导致整个过程中断。而且由于你依靠微生物来破坏硝酸盐，这个过程可能非常缓慢。

为了解决这些障碍，科学家开发了电催化工艺。“它的速度要快得多，而且它还能彻底破坏硝酸盐，这样就不会产生浓缩的废物流。”

但温特指出，尽管这些技术可以更好地控制过程，但它们也有缺点。经典的电化学过程涉及使用二维平板电极。

她说：“你无法足够快地将溶液中的硝酸盐传送到电极，从而无法有效地在电极表面发生反应。”

温特的实验室通过使用由碳纳米管和将其结合在一起的聚合物制成的带电膜解决了这个问题。

“在这些系统中，我们正在流过电极，但这里的关键不仅在于我们有孔隙并且我们流过它们，而且这些孔隙的尺寸非常小。”

在传统的二维系统中，最靠近电极表面的流体层(即“边界层”)约为 100 微米。这个相对较大的边界层会限制反应，因为流体流动(因此硝酸盐通过该层的速度比反应速度慢得多)会限制反应速度。

温特实验室开发的膜孔径约为 50 纳米，比传统膜小 2,000 倍。这意味着硝酸盐在到达电极表面并发生反应之前必须通过的“慢速”空间要小得多。

“因此，在这种配置下，我们能够克服这些扩散限制，并且我们开始看到一些非常有趣的特性。”

与大多数需要金属才能实现充分硝酸盐转化的电化学系统不同，Winter 的膜不含金属。由于克服了扩散限制，使用碳纳米管作为催化剂的膜可以实现与金属催化剂相当的硝酸盐转化率。

该技术与传统电化学过程的区别是，它大大缩短了破坏硝酸盐所需的时间。

“从传统的电化学过程来看，如果要去除 80% 或 90% 的硝酸盐，通常需要几个小时的时间，”她说。“你需要花很长时间进行反应，因为要花很长时间才能将所有硝酸盐都去除到表面。在我们的系统中，通过反应器，我们在 15 秒内实现了类似的转化率，约为 80%。我们将从几个小时的时间缩短到 15 秒。”

为了在实际应用中测试该技术，温特的研究团队从耶鲁大学校园附近的冬青湖采集了一些水样，并添加了少量硝酸盐。

“实际上，转化高浓度要容易得多，所以我们特别想看看这是否适用于代表实际污染水中的低浓度，”她说。“我们取了那​​个浓度，然后我们能够将硝酸盐去除到低于EPA饮用水标准。”

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