Výzkumníci vytvořili levný hydrogel, který dokáže filtrovat fosfor z kontaminovaných povrchových vod, zdrojů pitné vody nebo odpadních vod, čímž se snižuje znečištění fosforem a fosfor se znovu využívá pro zemědělské a průmyslové aplikace. Kromě efektivního zachycování a uvolňování fosforu lze hydrogely opakovaně použít, což je činí nákladově efektivními.
Fosfor je nezbytným prvkem pro mnoho aplikací, zejména pro zemědělská hnojiva. Existují však dvě klíčové výzvy. Zaprvé, fosfor používaný v zemědělství a průmyslu pochází především z těžebních provozů, které se spoléhají na omezené zdroje a mohou představovat environmentální problémy. Zadruhé, vysoké hladiny fosforu v povrchových vodách – ze zemědělských odtoků, čistíren odpadních vod a dalších zdrojů – přispívají k významným problémům s kvalitou vody, jako je eutrofizace, což vede k tzv. „mrtvým zónám“.
„Myšlenka filtrování fosforu z kontaminovaných vod není nová, ale stávající technologie se spoléhají na silné kyseliny nebo zásady, které uvolňují fosfor po jeho zachycení,“ říká Jan Genzer, spoluautor článku o této práci, a S. Frank a Doris Culberson profesor chemického a biomolekulárního inženýrství na Státní univerzitě v Severní Karolíně. „To v konečném důsledku představuje samo o sobě environmentální problémy a prodražuje získávání fosforu pomocí filtračních technologií. Udělali jsme velký pokrok v řešení tohoto problému.“
Výzkumníci vytvořili hydrogel, který kombinuje dva komerčně dostupné materiály: polyethylenimin (PEI), což je levný polymer, jehož molekulární struktura mu umožňuje navázat fosfor z vody při průchodu materiálem, a poly(methylvinylether-ko-maleinanhydrid) (PMVEMA), což je levný polymer, který se váže s PEI a vytváří robustní gel, který umožňuje průchod vody a zároveň zachovává jeho strukturální integritu.
V testech byl hydrogel PEI/PMVEMA extrémně účinný při odstraňování fosforu z kontaminované vody, když protékal materiálem při pokojové teplotě. Také účinně uvolňoval zachycený fosfor při pokojové teplotě za použití mírných zásad.
„Naše experimenty naznačují, že hydrogel by byl schopen odstranit z odpadních vod nebo kontaminovaných povrchových vod více než 90 % fosforu,“ říká Genzer. „Také jsme prokázali, že dokážeme získat zpět až 99 % tohoto fosforu pro opětovné použití. Také jsme ukázali, že hydrogel lze poté znovu použít s minimálním poklesem výkonu. Například po trojím použití bychom stále mohli znovu použít 97,5 % fosforu.“
„Abychom to uvedli do kontextu, současné materiály pro filtraci fosforu stojí 20–300 dolarů za libru fosforu, kterou dokážou zachytit,“ říká Genzer. „Náš materiál stojí 23 dolarů za libru odstraněného fosforu, pokud ho použijete pouze jednou. Můžete ho ale používat znovu a znovu. Pokud hydrogel použijete dvakrát, cena klesne na 8 dolarů za libru získaného fosforu. Pokud ho použijete 50krát, cena klesne na méně než 50 centů za libru.“
„Podali jsme předbežnou patentovou přihlášku na tento materiál a hledáme průmyslové partnery, kteří by měli zájem o jeho praktické využití v oblasti čištění odpadních vod, sanace životního prostředí a získávání fosforu pro zemědělské a průmyslové využití,“ říká Genzer.
„Z výzkumného hlediska je další velkou výzvou zjistit, jak tento materiál využít k získávání fosforu z kontaminovaných půd. To je složitější problém než odstraňování fosforu z kapalin.“
Článek s názvem „
Funkční hydrogely pro selektivní odstraňování fosfátů z vody a jejich uvolňování na vyžádání“ byl publikován v časopise
Langmuir. Prvním autorem článku je Jiangfeng Xu, doktorand na NC State. Spoluautorem článku je Kirill Efimenko, docent chemického a biomolekulárního inženýrství na NC State. Dalšími poluautory článku jsou Christopher Gorman, profesor chemie na NC State; Yaroslava Yingling, Kobe Steel profesorka materiálových věd a inženýrství na na NC State; a Lisa Castellano, výzkumná pracovnice na NC State.
Tuto práci podpořilo Centrum pro vědu a technologie pro udržitelnost fosforu (STEPS), vědecké a technologické centrum Národní vědecké nadace se sídlem v Severní Karolíně, které je financováno z grantu CBET-2019435.