Forskere ved ESS, Svensk vandforskning, ORNL bruger VISION til at se på almindelige forurenende stoffer til renere vandapplikationer

Vandfiltrering er afgørende for at opretholde folkesundheden. Evnen til at se, hvordan vedvarende forurenende stoffer som skadelige bakterier, mikroforurenende stoffer, og mikroplastik opfører sig på atomær skala kan gøre det muligt for ingeniører at lave forbedrede filtre til mere effektive vandbehandlingsmetoder.

European Spallation Source (ESS), i øjeblikket under opførelse i Lund, Sverige, er indstillet til at åbne for brugere i 2023. Som forberedelse, ESS-forsker Monika Hartl og hendes samarbejdspartnere ved Swedish Water Research bruger neutroner ved Department of Energy's (DOE's) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) til at studere, hvordan bisphenol A (BPA), et kemikalie, der bruges i plast, interagerer med vandfiltre.

BPA er en nøglekomponent i en klar, hård, brudsikker plast kaldet polycarbonat, der er meget udbredt i sikkerhedsprodukter og forbrugsvarer. Når polycarbonat nedbrydes i vand, BPA kan frigives til miljøet, hvor undersøgelser har vist, at BPA-forbrug, ofte et resultat af vandforurening, kan påvirke anlægget negativt, dyr, og endda menneskers sundhed. Filtrering af denne forurening ud af vandforsyninger kan reducere dens negative virkninger på miljøet, samtidig med at den minimerer eller eliminerer eventuelle negative virkninger på menneskers sundhed.

Industrielle sand- og lerfiltre bruges ofte tidligt i vandfiltreringsprocessen, før mere avancerede rensningsmetoder som klorbehandling anvendes. Sandet, der bruges til filtrering, har mikroporøse strukturer, der er i stand til at adsorbere forurenende stoffer fra vandet, og ler har lagdelte strukturer med lignende egenskaber.

Ved at bruge VISION-instrumentet, beamline 16B ved ORNL's Spallation Neutron Source (SNS), Hartl og hendes samarbejdspartnere fra den svenske vandindustri kan bruge neutronspredning til at se, hvordan BPA påvirker filtermaterialernes overflader og dermed deres effektivitet til at adsorbere molekyler på atomniveau.

"Vi ser på, hvordan man fjerner plastiske nedbrydningsprodukter fra vandet ved at bruge sand- og lerfiltre. Især vi forsøger at finde ud af, hvordan BPA interagerer med lerstrukturer og sandstrukturer, sagde Hartl.

Neutroner er ikke-destruktive og kan trænge dybt ind i materialer som sand og ler, i modsætning til lignende forskningsmetoder. Deres følsomhed over for brint gør dem ideelle til undersøgelser, der involverer vand, især til undersøgelse af vand i strukturer, der er uigennemsigtige og svære at trænge igennem.

"Med neutroner, du kan let trænge ind i filteret, og du kan se BPA inde i materialet, sagde Hartl.

"Der er et fantastisk team på VISION, og de har et veludstyret brugerlaboratorium, hvor jeg kan forberede en bred vifte af prøver med mange muligheder for at bekræfte kvaliteten af ​​mine prøver, før jeg sætter dem i beamline. Hvis jeg har brug for at ændre noget under eksperimentet, Jeg kan tjekke mine materialer i brugerlaboratoriet i stedet for at spilde stråletid, sagde Hartl, som i øjeblikket planlægger lignende brugerlaboratorier til ESS.

"Kemi laboratorier er meget vigtige for neutronspredning. Evnen til at forberede prøver og karakterisere dem ved neutronkilder er blevet afgørende, især til vandforskning."

Ved at bruge data fra dette eksperiment, Hartl kan identificere, hvordan filtermaterialerne adsorberer BPA, samt hvilke strukturer og materialer der yder bedre end andre, for at udvikle forbedrede vandfiltre, der holder længere og yder bedre.

"Hvis vi finder ud af, hvordan vand og bisphenol interagerer med filtrene, så kan vi lære at ændre filteret for bedre at fjerne bisphenolen, hvilket ville være meget nyttigt for vandplanter, " sagde Hartl.

Dette arbejde bliver støttet som et "industrielt pilotprojekt for neutron- og fotoneksperimenter i storskala forskningsinfrastrukturer" af det svenske finansieringsbureau Vinnova (projektnummer 2018-03264). Partnerne i dette projekt er Dr. Alfredo Gonzalez-Perez, forskningsgruppeleder og projektkoordinator fra Swedish Water Research AB; Prof. Kenneth Persson, forskningschef Sydvatten AB; og Monika Hartl.