電子製造と金属加工から生じる工業廃水には、現在の技術で通常は分けて処理される2種類の汚染物質が含まれています：高塩濃度と有毒重金属。この分けて処理する方法はコストが高く、しばしば危険な塩水や重金属スラッジを生成します。ライス大学とバンダービルト大学の研究者たちは、これら2つの問題を同時に処理できる単一の電気化学プラットフォームを開発しました。このプラットフォームは、異なる金属を異なる回収流に分離することも可能です。このチームは、ライス大学の土木および環境工学の准教授であり、ライス水資源技術研究所のメンバーでもある林世宏が率いています。
第一著者はライス大学の博士研究員、徐龍乾です。
林世宏は次のように述べています。「従来の海水淡化技術、例えば逆浸透は塩分を除去できますが、背景塩から価値のあるまたは有毒な金属イオンを選択的に分離することはできません。同時に、化学沈殿は金属を除去できますが、化学物質の添加に依存し、しばしば危険なスラッジを生成します。」このプラットフォームは電気化学イオンポンプ（EIP）を使用し、電極を通じて廃水からイオンを抽出し、それを個別の受信流に放出します。この重要な革新は、電極の電位を各種イオンの作用を制御するノブとして使用することにあります。電圧が特定の値を超えると、銅とナトリウムが受信流に入りますが、システムは純粋に淡化器として機能します。
その閾値を下回ると、銅は電極表面に付着し、通過しません。塩分は引き続き流れます。このハードウェアは、電圧を調整するだけで、全く異なる機能を実行できます。
新しい電気化学プラットフォームが高塩と重金属の汚染問題を同時に処理
林世宏は次のように述べています。「私たちの方法は、物理的な溶液切替を迅速に変化する回路に置き換え、イオンがシステム内で持続的に一方向に移動できるようにします。」ナトリウムと銅を含む合成廃水をテストしたところ、システムは90%の塩を除去し、ほぼすべての銅を電極に保持しました。「システムは90%の塩を除去し、ほぼすべての銅を電極に保持しましたが、塩水には入っていません。」と林世宏は確認しました。さらに注目すべき結果は、三成分の混合物から得られました。5つの電極を使用したEIPスタックを通じて、チームは電圧を調整し、銅を電極に付着させ、ニッケルとナトリウムは引き続き移動しました。
4時間後、システムは85%の塩と92%以上の2種類の金属を除去しましたが、それらは最終的に異なる位置にありました。ほぼすべての銅は電極に留まり、ほぼすべての除去されたニッケルは受信流に移動しました。電極に集められた銅のニッケルに対する純度は96%に達しました。
林世宏は次のように述べています。「私たちの結果は、EIPが調整可能で、処理過程における異なるイオンの行き先を決定できることを示しています。一部の金属は電極で捕獲でき、塩や他のイオンは通常の淡化経路を通過できます。」電子および金属加工会社から生じる廃水は、同時に淡化と金属抽出を必要とします。現在のシステムは、2つの独立した処理プロセス、2セットの設備、および2つの有害廃流を必要とします。このプラットフォームは、1回のプロセスでこれら2つの作業を同時に完了できます。ターゲット金属を混合塩水流から隔離することにより、このシステムは下流の精製コストを削減します。
一度電極が再生されると、金属を豊富に含む流れが生成され、回収の準備が整います。この方法は、林世宏チームが以前に発表した3本のEIP論文に基づいており、『Nature Water』および『Nature Chemical Engineering』に発表されています。この研究は『Nature Water』というジャーナルに初めて発表されました。