Engenheiros do Centro de Tratamento Habilitado de Água por Nanotecnologia (NEWT) da Rice University descobriram um catalisador que limpa os nitratos tóxicos da água potável, convertendo-os em ar e água.

A pesquisa está disponível online na revista American Chemical Society. Catálise ACS .

"Os nitratos vêm principalmente do escoamento agrícola, que afeta as comunidades agrícolas em todo o mundo, "disse o engenheiro químico da Rice, Michael Wong, o principal cientista do estudo. "Os nitratos são um problema ambiental e de saúde porque são tóxicos. Existem filtros de troca iônica que podem removê-los da água, mas eles precisam ser liberados a cada poucos meses para reutilizá-los, e quando isso acontecer, a água liberada apenas retorna uma dose concentrada de nitratos de volta ao abastecimento de água. "

O laboratório de Wong é especializado no desenvolvimento de catalisadores baseados em nanopartículas, pedaços submicroscópicos de metal que aceleram as reações químicas. Em 2013, seu grupo mostrou que pequenas esferas de ouro pontilhadas com partículas de paládio podem quebrar nitritos, os primos químicos mais tóxicos dos nitratos.

"Os nitratos são moléculas que têm um átomo de nitrogênio e três átomos de oxigênio, "Wong explicou." Os nitratos se transformam em nitritos se perderem um oxigênio, mas os nitritos são ainda mais tóxicos do que os nitratos, então você não quer parar com os nitritos. Além disso, nitratos são o problema mais prevalente.

"Em última análise, a melhor maneira de remover nitratos é um processo catalítico que os quebra completamente em nitrogênio e oxigênio, ou no nosso caso, nitrogênio e água porque adicionamos um pouco de hidrogênio, "disse ele." Mais de 75 por cento da atmosfera da Terra é nitrogênio gasoso, então estamos realmente transformando nitratos em ar e água. "

Os nitratos são tóxicos para bebês e mulheres grávidas e também podem ser cancerígenos. A poluição por nitrato é comum em comunidades agrícolas, especialmente no Cinturão do Milho dos EUA e no Vale Central da Califórnia, onde os fertilizantes são muito usados, e alguns estudos mostraram que a poluição por nitrato está aumentando devido às mudanças nos padrões de uso da terra.

Tanto os nitratos quanto os nitritos são regulamentados pela Agência de Proteção Ambiental, que define os limites permitidos para água potável. Em comunidades com poços e lagos poluídos, Isso normalmente significa pré-tratar a água potável com resinas de troca iônica que prendem e removem nitratos e nitritos sem destruí-los.

De seu trabalho anterior, A equipe de Wong sabia que as nanopartículas de ouro-paládio não eram bons catalisadores para quebrar nitratos. Co-autora Kim Heck, um cientista pesquisador no laboratório de Wong, disse que uma pesquisa na literatura científica publicada revelou outra possibilidade:índio e paládio.

"Conseguimos otimizar isso, e descobrimos que cobrir cerca de 40 por cento da superfície de uma esfera de paládio com índio nos deu nosso catalisador mais ativo, "Heck disse." Foi cerca de 50 por cento mais eficiente do que qualquer outra coisa que encontramos em estudos publicados anteriormente. Poderíamos ter parado por aí, mas estávamos realmente interessados ​​em entender por que era melhor, e para isso tivemos que explorar a química por trás dessa reação. "

Em colaboração com colegas de engenharia química Jeffrey Miller da Purdue University e Lars Grabow da University of Houston, a equipe do Rice descobriu que o índio acelera a degradação dos nitratos, enquanto o paládio aparentemente impede que o índio seja permanentemente oxidado.

“O índio gosta de ser oxidado, "Disse Heck." De nossos estudos in situ, descobrimos que a exposição dos catalisadores a soluções contendo nitrato fazia com que o índio se oxidasse. Mas quando adicionamos água saturada de hidrogênio, o paládio fez com que parte desse oxigênio se ligasse ao hidrogênio e formasse água, e isso resultou na permanência do índio em um estado reduzido, onde é livre para quebrar mais nitratos. "

Wong disse que sua equipe trabalhará com parceiros industriais e outros pesquisadores para transformar o processo em um sistema de tratamento de água comercialmente viável.

"É aí que entra o NEWT, "ele disse." NEWT tem tudo a ver com fazer descobertas científicas básicas e implantá-las em condições do mundo real. Este será um exemplo dentro do NIEM, onde temos a química resolvida, e a próxima etapa é criar um sistema de fluxo para mostrar uma prova de conceito de que a tecnologia pode ser usada em campo. "

NEWT é um centro de pesquisa de engenharia multi-institucional com sede em Rice que foi estabelecido pela National Science Foundation em 2015 para desenvolver um compacto, Móvel, sistemas de tratamento de água fora da rede que podem fornecer água limpa a milhões de pessoas e tornar a produção de energia dos EUA mais sustentável e econômica. O NEWT deve alavancar mais de US $ 40 milhões em apoio federal e industrial até 2025 e está focado em aplicações de resposta humanitária a emergências, sistemas de água rural e tratamento e reutilização de águas residuais em locais remotos, incluindo plataformas de perfuração onshore e offshore para exploração de petróleo e gás.