Системы фильтрации предназначены для одновременного улавливания нескольких вредных веществ из воды или воздуха, но с загрязнителями в почве можно бороться только по отдельности или с несколькими одновременно — по крайней мере, на данный момент.

Метод, разработанный учеными из Университета Райса и сотрудниками Центра инженерных исследований и разработок армии США (ERDC), может помочь превратить процессы восстановления почвы с частичных на оптовые.

Группа ученых из Райса во главе с химиком Джеймсом Туром и исследователями из отделов геотехнических структур и экологической инженерии ERDC показали, что смешивание загрязненной почвы с нетоксичными, богатыми углеродом соединениями, которые вызывают электрический ток, такими как биоуголь, а затем Электрические выбросы смывают как органические загрязнители , так и тяжелые металлы без использования воды и образования отходов.

Согласно исследованию , опубликованному в Nature Communications, электрические импульсы поднимают температуру почвы до 1000–3000 градусов по Цельсию по мере необходимости (1832–5432 по Фаренгейту) за секунды, превращая органические загрязнители в нетоксичные графитовые минералы, а токсичные тяжелые металлы в пар, собираемый через вытяжные трубы. Более того, этот процесс благотворно влияет на плодородие почвы: эксперименты показывают, что в восстановленной почве всхожесть увеличивается на 20–30%.

«Наш высокотемпературный электротермический процесс может удалять несколько загрязняющих веществ одновременно», — сказал ведущий автор Бинг Дэн, научный сотрудник лаборатории Тура. «Этот новый метод, который мы назвали высокотемпературным электротермическим процессом (HET), основан на методе мгновенного джоулева нагрева, который мы разработали несколько лет назад. Это первый случай, когда прямой электрический нагрев используется для восстановления почвы».

Тяжелые металлы, такие как свинец, мышьяк, цинк, кобальт, медь, ртуть и никель, а также органические загрязнители, такие как пестициды и микропластик, являются основными загрязнителями почвы. В дополнение к антропогенной деятельности, природные явления, такие как землетрясения и наводнения, также могут стать причиной загрязнения почвы: токсичный пепел, выброшенный в результате лесных пожаров, подобных тем, которые опустошили Гавайи в августе, или любые потенциальные промышленные отходы, выброшенные в результате таяния вечной мерзлоты в Арктике, могут загрязнить огромные площади почвы. призывая к широкомасштабным протоколам дезактивации.

Однако современные методы удаления загрязняющих веществ из почвы отнимают много времени, затратны и сложны с точки зрения логистики. Некоторые методы дезактивации, такие как выщелачивание поверхностно-активных веществ, также приводят к образованию вторичных потоков отходов и требуют значительного количества воды и/или электроэнергии. По словам Дэна, поиск лучших способов обеззараживания почвы имеет решающее значение для повышения готовности к стихийным бедствиям, что делает его приоритетом национальной безопасности.

«Этот метод сверхбыстрый и может быть действительно полезен при ликвидации чрезвычайных ситуаций», — добавил Дэн.

«Технологии восстановления почвы обычно нацелены только на один или два тяжелых металла одновременно, и часто они не очень успешны или работают гораздо медленнее, чем электротермический нагрев», — сказала Мине Учак-Астарлиоглу, химик-исследователь ERDC. «Этот метод очень быстрый, не содержит воды и удаляет множество загрязняющих веществ в почве. Джоулев нагрев — невероятно многообещающий метод извлечения критически важных металлов из отходов и удаления тяжелых металлов для реабилитации».

Крис Григгс, старший научный сотрудник ERDC, сказал, что в настоящее время загрязненную почву можно либо выкапывать и вывозить из населенных пунктов (вариант, который он называет «логистическим кошмаром»), либо ее можно обрабатывать на месте, чтобы предотвратить попадание токсичных элементов. от миграции в окружающий воздух, воду или запасы пищи.

«Некоторые загрязняющие вещества могут быть в порядке — они не собираются перемещаться. Другие могут мигрировать в грунтовые воды и источники питьевой воды. Некоторые могут в конечном итоге испортить сельскохозяйственные культуры, где токсичные тяжелые металлы могут выводиться через корни растений и т. д. .», — сказал Григгс. «Возможность регенерировать почву и вернуть ее туда, где она была, — это огромное преимущество перед существующими технологиями».

Удивительным эффектом быстрой высокотемпературной обработки является то, что размер частиц почвы и общий минеральный состав остаются относительно неизменными. Фактически, этот процесс улучшает скорость инфильтрации воды и увеличивает запас доступных питательных веществ, делая почву более плодородной.

«Для нас было удивительно, что мы не повреждаем почву в процессе», — сказал Тур, профессор химии Райс Т.Т. и В.Ф. Чао, а также профессор материаловедения и наноинженерии. «На самом деле, растениям это нравится больше из-за минералов, которые высвобождаются при термоциклировании».

И Ченг, постдокторант и ведущий соавтор исследования риса, который помог с характеристикой свойств почвы, сказал, что этот процесс одинаково хорошо работает и на влажной почве.

«Наш процесс экономичен и экологически безопасен», — добавил Ченг.

Исследование включает анализ жизненного цикла, который показывает, что процесс масштабируем и обещает быть более энергоэффективным и экономически эффективным, чем традиционные методы восстановления почвы, такие как промывка почвы или термическая десорбция.

«Мы разработали две модели внедрения для развертывания за пределами объекта и на месте, и мы с нетерпением ждем перехода этого процесса на следующий этап — полевые испытания», — сказал Дэн.

Сотрудничество Райс и ERDC может помочь переходу технологии от стадии проверки концепции к реальной практике.

«Когда дело доходит до техноэкономики и масштабируемости процесса, мы можем поднять немного тяжелее и пойти немного дальше, чем мог бы университет, но именно в области открытий университеты преуспевают», — сказал Григгс. «Это хорошее партнерство».

«Это техническое партнерство, образовательное партнерство, а также оно предоставляет возможности трудоустройства», — сказал Учак-Астарлыоглу. «Это беспроигрышная ситуация для всех участвующих университетских партнеров».