处理受重金属污染的水的低成本节能方法

麻省理工学院的工程师开发了一种新方法来去除水中的铅或其他重金属污染物，他们说这种方法比目前使用的任何其他系统都更节能，尽管还有其他正在开发的系统接近。最终，它可用于处理家庭水平的铅污染供水，或处理来自某些化学或工业过程的污染水。

新系统是基于六年前同一研究小组成员初步发现的一系列应用中的最新系统，最初开发用于海水或微咸水的淡化，后来适用于从核电冷却水中去除放射性化合物植物。新版本是第一种可能适用于处理家庭供水以及工业用途的方法。

该研究结果今天发表在《环境科学与技术- 水》杂志上，该论文由麻省理工学院研究生 Huanhuan Tian、Mohammad Alkhadra 和 Kameron Conforti 以及化学工程教授 Martin Bazant 撰写。

“众所周知，很难去除存在于许多不同水源中的持久性有毒重金属，”Alkhadra 说。“显然，今天有一些竞争方法可以完成这个功能，所以问题在于哪种方法可以以更低的成本和更可靠的方式完成它。”

试图去除铅的最大挑战是它通常以极小的浓度存在，远远超过其他元素或化合物。例如，饮用水中钠的浓度通常为百万分之十，而铅的浓度仅为十亿分之几就具有剧毒。Alkhadra 解释说，大多数现有工艺，例如反渗透或蒸馏，都会立即去除所有东西。这不仅需要比选择性去除更多的能量，而且会适得其反，因为钠和镁等少量元素实际上是健康饮用水所必需的。

新方法是使用称为冲击电渗析的过程，其中使用电场在输送受污染水的管道内产生冲击波。冲击波将液体分成两股流，通过调整冲击波的特性以匹配目标离子，选择性地将某些带电原子或离子拉向流动的一侧，同时在另一侧留下相对纯净的水流. 然后可以使用管道中的机械屏障轻松分离出含有浓缩铅离子的流。

原则上，“这使得该过程更便宜，”Bazant 说，“因为你投入进行分离的电能实际上是在追求高价值目标，即领先。你没有浪费大量的能量去除钠。” 因为铅的浓度如此之低，“去除这些离子不需要很多电流，所以这可能是一种非常划算的方法。”

该过程仍然有其局限性，因为它仅在小实验室规模和非常低的流速下得到证明。扩大该过程以使其适用于家庭使用需要进一步研究，而更大规模的工业用途将需要更长的时间。但巴赞特说，对于一些基于家庭的系统来说，它可能会在几年内实用。

例如，供水受到严重铅污染的家庭可能在地窖中有一个系统，该系统可以缓慢处理水流，将无铅水填充到水箱中，用于饮用和烹饪，同时留下大部分水未经处理，用于冲厕所或浇灌草坪等用途。这种用途可能适合作为密歇根州弗林特等地的临时措施，那里的水主要被分配管道污染，需要很多年才能通过更换管道进行修复。

该过程还可以适用于某些工业用途，例如采矿或钻井作业中产生的清洁水，以便可以安全地处理或再利用处理过的水。在某些情况下，这也可以提供一种回收污染水的金属的方法，但如果将它们分离出来，实际上可能是一种有价值的产品;研究人员说，例如，一些此类矿物可用于加工半导体或药品或其他高科技产品。

Bazant 说，很难直接比较这种系统与现有方法的经济性，因为在过滤系统中，成本主要用于更换过滤材料，这些材料很快就会堵塞并变得无法使用，而在该系统中，成本主要用于持续的能量输入，非常小。他说，此时冲击电渗析系统已经运行了几个星期，但现在估计这种系统的实际寿命还为时过早。

将这个过程开发成可扩展的商业产品需要一些时间，但“从技术角度来看，我们已经展示了如何做到这一点，”Bazant 说。“主要问题将在经济方面，”他补充道。这包括找出最合适的应用程序并开发满足这些用途的特定配置。“对于如何扩大规模，我们确实有一个合理的想法。所以这是一个拥有资源的问题，”他补充说，这可能是一家初创公司而不是学术研究实验室的角色。

“我认为这是一个令人兴奋的结果，”他说，“因为它表明我们真的可以解决这个重要的应用”喝清洁铅的水。例如，他说，现在有些地方使用反渗透进行海水淡化，但他们必须连续两次运行这个昂贵的过程，首先是为了去除盐分，然后再次去除低水平但高度铅等有毒污染物。这种新工艺可能会用于替代第二轮反渗透，而且能量消耗要低得多。

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