Teknologi filtrerer selektivt perklorat fra vand

I juni, Miljøstyrelsen udsendte en anmodning om offentlig kommentar til en foreslået regel for regulering af perklorat i offentlige drikkevandssystemer.

Perklorat, et naturligt og menneskeskabt kemikalie, betragtes som en ny forurening, som er svær at fjerne fra miljøet. Det er den primære rest tilovers fra raketbrændstoffer, fyrværkeri og sprængstoffer og kan findes i almindelige genstande, såsom gødning og vejflammer. Det er også værdsat i laboratorieforsøg for dets evne til at hjælpe med forbrænding af andre kemikalier, mens den forbliver kemisk inaktiv.

Rapporter om perkloratforurening i jord, vand og mad er blevet registreret i mange lande verden over, herunder i USA, Japan, Kina, Canada, Colombia, Grækenland og Sydkorea. Det er et problem, der kan have konsekvenser for menneskers sundhed. Ifølge National Institutes of Healths National Center for Biotechnology, i høje doser, perklorat hæmmer produktionen af ​​skjoldbruskkirtelhormon hos mennesker ved at forstyrre skjoldbruskkirtlens optagelse af jod.

University of Delaware miljøingeniør Chin-Pao Huang, Donald C. Phillips professor ved Institut for Bygge- og Miljøteknik, har undersøgt måder at fjerne perklorat fra drikkevand i næsten et årti.

Nu, Huang og Po-Yen Wang, en tidligere doktorand og nu assisterende lærer ved Widener University, har patenteret en ny membran, der selektivt kan filtrere perklorat fra drikkevand. Forskerne patenterede ideen ved hjælp af UD's Office of Economic Innovation and Partnerships (OEIP).

UD-udviklet teknologi

Ifølge Huang, perklorat er giftigt selv ved lave niveauer. En rapport fra National Research Council fra 2005 anslog, at over 11 millioner amerikanere havde perklorat i deres offentlige drikkevandsforsyninger i koncentrationer på fire dele pr. milliard eller højere, hvilket svarer til fire dråber af kemikaliet i 10, 000 liter vand.

Huang sagde, at en metode kaldet "ionbytning" koncentrerer perchloratet på små harpiksperler, der kan fjernes fra drikkevandet. Perkloratet adsorberer på overfladen af ​​perlerne og, en gang mættet, perlerne fjernes, men der er i øjeblikket ingen standardmetode til bortskaffelse af perlerne eller til at gøre dem ugiftige.

Huang sagde, at dette er et gråt område, fordi mens EPA indser, at perklorat i vand er et problem, og at dets fjernelse er vigtigt for menneskers sundhed, teknologien er der bare ikke endnu. Det er her den UD-udviklede teknologi kan hjælpe.

Den UD-udviklede membran kan selektivt koncentrere perkloratet og derefter reducere kemikaliet til chlorid, som er ugiftigt ved disse koncentrationer, ved hjælp af elektricitet og en bimetallisk rhodium-kobber katalysatorelektrode. Eksperimenter til dato viser, at den UD-udviklede proces kan udføres med 78 % effektivitet.

Wang udviklede metoden, mens han var kandidatstuderende på UD, men det tog syv år at finde ud af den rigtige kombination af materialer for at få processen til at fungere. En anden doktorand, Ching-lung Chen, videreført arbejdet med at udvikle den nye katalysator (lavet af palladium og kobber), der bruges i dag. Forskerne rapporterede for nylig deres resultater i American Society of Civil Engineers' Journal of Environmental Engineering .

Vigtigt, den kemiske reduktionsproces, Huangs forskerhold skabte, kan bruges sammen med den UD-udviklede filtreringsmembran, men er også velegnet som en tilføjet teknologi til at komplementere aktuelt accepterede industrimetoder til fjernelse af perklorat i offentligt drikkevand.

Ifølge Huang, de samme metoder, der anvendes til elektrokemisk at reducere koncentreret perklorat filtreret gennem den UD-udviklede membran, kan anvendes på harpiksperler, der i øjeblikket anvendes i industrielle processer til at fjerne perklorat fra drikkevand. På denne måde Huang teoretiserer, at harpiksen kan regenereres til genbrug i stedet for at blive bortskaffet som farligt affald (en dyr praksis), samtidig afbøde den økonomiske byrde og beskytte miljøet.

Huang indrømmede, at selvom teknologien lover, dens succes afhænger virkelig af EPA-politikken.

"Desværre, det ser ikke ud til, at problemet vil forsvinde. Men måske kan den teknik, vi udviklede, være nyttig for dem, der søger at påvirke politiske ændringer af perkloratstandarder, " sagde Huang.

Allerede mere end et halvt dusin stater i USA, inklusive Arizona, Californien, Maryland, Massachusetts, New York, Nevada, New Mexico og Texas, har fastsat statslige standarder for mængden af ​​tilladt perklorat i drikkevand.

En forkæmper for vandkvalitet

Selvom Huang har været fakultetsmedlem ved UD siden 1974 - han fejrer 45 års tjeneste for UD i 2019 - er dette hans første patent. Sand, han har haft tidligere forskningsprojekter og ideer. Nogle ideer "så ud til at være ret patenterbare." Men uden OEIP, Huang sagde, det var ikke noget, han ville have forsøgt. I særdeleshed, Huang krediterede teknologioverførselsteamet i OEIP for at have hjulpet ham med at navigere i processen med lethed.

"Udarbejdelse af patentdokumenter og opfølgning med patentudstedende agentur er tidskrævende og kræver professionel knowhow. Jeg er taknemmelig over for universitetet for at have etableret et kontor som OEIP til at bistå fakultetet med interesser i intellektuel ejendom og til OEIP for personale det med kyndige eksperter, " sagde Huang. "Det er en lang proces, og uden deres hjælp ville jeg ikke have været i stand til at opretholde processen, endsige den endelige succes."

UD studerende var involveret i projektet, også. Gennem OEIP's Spin-In-program, tre bachelorstuderende deltog i tidligt arbejde, at give forskerne en forretningsplan og en tidlig 3-D-printet prototype af reaktoren, i dag, gør det muligt at reducere perchlorat til ugiftigt klorid.

Som en del af den løbende indsats på vegne af universitetet, OEIP arbejder på at sikre en partner til at hjælpe med at kommercialisere denne teknologi.

Vandkvalitet har været et stort fokus i Huangs arbejde, med forskning, der spænder over spørgsmål omkring adgang, overkommelighed, vandkvalitet, vandbehandling med mere. He co-founded the International Conference on Sustainable Water Environment, which has been in operation for 16 years among hosting countries including the U.S., Kina, Taiwan, Korea, Japan and Singapore.

In a new research thrust, Huang is initiating studies with a colleague in Taiwan to shed light on another emerging pollutant:the presence of nanoplastics in our freshwater supply.

Microplastics, filaments and particles that range in size from 100 nanometers to less than five millimeters, have made headlines recently due to study findings about their presence in the ocean and in marine life. Nanoplastics are up to 1, 000 times smaller than microplastics, ranging in size from 10 to 100 nanometers. To lend perspective, the average human hair is approximately 80, 000 to 100, 000 nanometers wide.

"Microplastics are too big for me—microplastics you can see under a microscope; nanoplastics you can't, " Huang said.

As microplastics continue to break down, they create smaller and smaller particles called nanoplastics that can find their way into many food and water sources. Some reports question whether nanoplastics are small enough to penetrate a cell wall, raising important questions about what, if any, threat these tiny travelers may pose to the environment, our water supply and our health.

Huang aims to find out.