Kloakskat:Ingeniører afslører, hvordan man optimerer processer til at omdanne spildevandssvovl til værdifulde materialer

En persons spildevand er en andens skat. En ny undersøgelse fra Stanford University baner vejen for at udvinde spildevand til værdifulde materialer, der bruges i gødning og batterier, som en dag kan drive smartphones og fly. Analysen, offentliggjort for nylig i ACS ES&T Engineering , afslører, hvordan man optimerer elektriske processer til omdannelse af svovlforurening, og kan hjælpe med at føre til en overkommelig, vedvarende energidrevet spildevandsrensning, der skaber drikkevand.

"Vi leder altid efter måder at lukke sløjfen på kemiske fremstillingsprocesser," sagde seniorforfatter Will Tarpeh, en assisterende professor i kemiteknik ved Stanford. "Svovl er et centralt elementært kredsløb med plads til forbedringer i effektiv omdannelse af svovlforurenende stoffer til produkter som gødning og batterikomponenter."

En bedre løsning

Efterhånden som ferskvandsforsyningerne svinder ind, især i tørre områder, er fokus intensiveret på at udvikle teknologier, der omdanner spildevand til drikkevand. Membranprocesser, der bruger anaerobe eller iltfrie miljøer til at filtrere spildevand, er særligt lovende, fordi de kræver relativt lidt energi. Imidlertid producerer disse processer sulfid, en forbindelse, der kan være giftig, ætsende og ildelugtende. Strategier til at håndtere dette problem, såsom kemisk oxidation eller brugen af ​​visse kemikalier til at omdanne svovlen til adskillelige faste stoffer, kan generere biprodukter og fremkalde kemiske reaktioner, der korroderer rør og gør det sværere at desinficere vandet.

En fristende løsning til at håndtere anaerob filtrerings sulfidproduktion ligger i at omdanne sulfidet til kemikalier, der bruges i gødnings- og katodemateriale til lithium-svovl-batterier, men mekanismerne for at gøre det er stadig ikke godt forstået. Så Tarpeh og hans kolleger satte sig for at belyse en omkostningseffektiv tilgang, der ikke ville skabe kemiske biprodukter.

Forskerne fokuserede på elektrokemisk svovloxidation, som kræver lavt energitilførsel og muliggør finjusteret kontrol af de endelige svovlprodukter. Mens nogle produkter, såsom elementært svovl, kan aflejre sig på elektroder og bremse kemiske reaktioner, kan andre som sulfat let fanges og genbruges. Hvis det fungerede effektivt, kunne processen drives af vedvarende energi og tilpasses til at behandle spildevand opsamlet fra individuelle bygninger eller hele byer.

Ved at gøre ny brug af scanning elektrokemisk mikroskopi - en teknik, der letter mikroskopiske snapshots af elektrodeoverflader, mens reaktorer er i drift - kvantificerede forskerne hastighederne for hvert trin af elektrokemisk svovloxidation sammen med typerne og mængderne af dannede produkter. De identificerede de vigtigste kemiske barrierer for svovlgenvinding, herunder elektrodetilsmudsning, og hvilke mellemprodukter der er sværest at omdanne. De fandt blandt andet ud af, at varierende driftsparametre, såsom reaktorspændingen, kunne lette lavenergi-svovlgenvinding fra spildevand.

Disse og andre indsigter afklarede afvejninger mellem energieffektivitet, sulfidfjernelse, sulfatproduktion og tid. Sammen med dem skitserede forskerne en ramme for at informere designet af fremtidige elektrokemiske sulfidoxidationsprocesser, der balancerer energiinput, fjernelse af forurenende stoffer og ressourcegenvinding. Med blikket mod fremtiden kan svovlgenvindingsteknologien også kombineres med andre teknikker, såsom genvinding af nitrogen fra spildevand til fremstilling af ammoniumsulfatgødning. Codiga Resource Recovery Center, et rensningsanlæg i pilotskala på Stanfords campus, vil sandsynligvis spille en stor rolle i at fremskynde fremtidig design og implementering af disse tilgange.

"Forhåbentlig vil denne undersøgelse hjælpe med at fremskynde indførelse af teknologi, der afbøder forurening, genvinder værdifulde ressourcer og skaber drikkevand på samme tid," sagde studiets hovedforfatter Xiaohan Shao, en Ph.D. studerende i civil- og miljøteknik ved Stanford.

Tarpeh er også assisterende professor (ved høflighed) i civil- og miljøteknik, en centerstipendiat (ved høflighed) fra Stanford Woods Institute for the Environment, en tilknyttet forsker med Stanfords program for vand, sundhed og udvikling og medlem af Stanford Bio-X. Yderligere forfatter Sydney Johnson var en bachelorstuderende i kemiteknik ved Stanford på tidspunktet for forskningen.