Исследователи разработали недорогой вид гидрогеля, который может фильтровать фосфор из загрязнённых поверхностных вод, источников питьевой воды или сточных вод для снижения загрязнения фосфором и повторного использования фосфора в сельском хозяйстве и промышленности. Помимо эффективного захвата и высвобождения фосфора, гидрогели можно использовать многократно, что делает их экономически выгодными.

Фосфор — важный элемент для многих сфер, особенно для производства удобрений. Однако существуют две основные проблемы. Во-первых, фосфор для сельского хозяйства и промышленности в основном добывается на рудниках, что связано с ограниченностью ресурсов и экологическими рисками. Во-вторых, высокое содержание фосфора в поверхностных водах — из-за стока с сельскохозяйственных угодий, работы очистных сооружений и других источников — приводит к серьёзным проблемам качества воды, таким как эвтрофикация, вызывающая так называемые «мертвые зоны».

«Идея фильтрации фосфора из загрязнённых вод не нова, но существующие технологии требуют использования сильных кислот или щелочей для высвобождения фосфора после его захвата», — говорит Ян Гензер, соавтор статьи и профессор кафедры химической и биомолекулярной инженерии Университета штата Северная Каролина.(NCSU) — «В конечном итоге это само по себе создаёт экологические проблемы и делает извлечение фосфора с помощью фильтрации дорогим. Мы сделали значительный шаг к решению этой проблемы».
Исследователи создали гидрогель, сочетающий два коммерчески доступных материала: полиэтиленимин (PEI) — недорогой полимер, молекулярная структура которого позволяет извлекать фосфор из воды при её прохождении через материал, и полимер поли(метилвиниловый эфир-ко-малеиновый ангидрид) (PMVEMA), который связывается с PEI, формируя прочный гель, пропускающий воду и сохраняющий свою структуру.

В ходе испытаний гидрогель PEI/PMVEMA оказался чрезвычайно эффективным для удаления фосфора из загрязнённой воды при прохождении через материал при комнатной температуре. Также он эффективно высвобождал захваченный фосфор при комнатной температуре с использованием мягких щелочей.
«Наши эксперименты показывают, что гидрогель способен удалять более 90% фосфора из сточных или загрязнённых поверхностных вод», — говорит Генцер. — «Мы также продемонстрировали возможность восстановления до 99% этого фосфора для повторного использования. Кроме того, мы показали, что гидрогель можно использовать повторно с минимальным снижением эффективности. Например, после трёх использований мы могли повторно использовать 97,5% фосфора.

«Для сравнения: современные материалы для фильтрации фосфора стоят от 20 до 300 долларов за фунт извлечённого фосфора», — говорит Генцер. — «Наш материал стоит 23 доллара за фунт фосфора при однократном использовании. Но его можно использовать снова и снова. При двухкратном использовании стоимость снижается до 8 долларов за фунт, а при 50-кратном — до менее чем 50 центов за фунт.

«Мы подали предварительную заявку на патент на этот материал и ищем промышленных партнёров, заинтересованных во внедрении материала для очистки сточных вод, экологической реабилитации и извлечения фосфора для сельскохозяйственных и промышленных нужд», — говорит Гензер.
«С исследовательской точки зрения, следующая большая задача — выяснить, как использовать этот материал для извлечения фосфора из загрязнённых почв. Это более сложная задача, чем удаление фосфора из жидкостей».

Статья “Functional Hydrogels for Selective Phosphate Removal from Water and Release on Demand” опубликована в журнале Langmuir. Первый автор — Цзянфэн Сюй, аспирант Университета штата Северная Каролина. Соавтор — Кирилл Ефименко, доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии того же университета. Среди соавторов: Кристофер Горман, профессор химии; Ярослава Инглинг, профессор материаловедения и инженерии (стипендия Kobe Steel); Лиза Кастеллано, научный сотрудник.