Sporing af udviklingen af ​​nanopartikler, når de dekontaminerer grundvandet

(PhysOrg.com) -- Ingeniører bruger avancerede billedbehandlingsteknikker til at undersøge bimetalmaterialer, der har saneret mere end 50 giftige affaldssteder.

Jernnanopartikler 1, 000 gange tyndere end et menneskehår har demonstreret en hidtil uset evne til at rense forurenet grundvand, siden de blev opfundet for 10 år siden i Lehigh.

De palladium-coatede partikler har renset mere end 50 giftigt affaldspladser i USA og andre lande på en tiendedel af tiden, og med en meget større stordriftsfordel, end traditionelle "pump and treat" metoder.

Nu, takket være Lehighs uovertrufne elektronmikroskopi- og spektroskopifaciliteter, forskere har opnået uovertruffen indsigt, der kunne forbedre effektiviteten og udvide anvendelsen af ​​de kraftfulde nanopartikler.

Forskerne brugte scanning transmission elektronmikroskopi (STEM) og røntgenenergi dispersiv spektroskopi (XEDS) til at fange, for første gang, udviklingen i nanostrukturen af ​​de bimetalliske partikler, når de fjerner forurenende stoffer i vand.

De avancerede billeddannelsesinstrumenter hos Lehigh fangede fantastiske detaljer om reaktionerne i nanopartikler. Da de reagerer med forurenende stoffer som trichlorethen (TCE), et giftigt industrielt opløsningsmiddel, nanopartiklerne viser enorme strukturelle ændringer. Partikelkernen huler ud, jernet diffunderer udad, og palladium, en katalysator, der udgør 1 procent af partikelmassen, vandrer fra den ydre overflade til den indre overflade af jernet.

Skriver tidligere på måneden i Miljøvidenskab og -teknologi ( ES&T ), det førende tidsskrift inden for sit felt, Lehigh-forskerne rapporterede, at nanopartiklernes evne til at fjerne toksiner falder, efterhånden som partiklerne "ældes" og undergår strukturelle ændringer med udsættelse for vand.

Deres resultater, de skrev, tyder på, at nanopartiklernes alder og opbevaringsmiljø spiller en afgørende rolle i at påvirke deres effektivitet som afhjælpningsmidler.

Lille men mægtig

ES&T artiklen, med titlen "Strukturel udvikling af Pd-dopet nanoskala Zero-Valent Iron (nZVI) i vandige medier og implikationer for partikelældning og reaktivitet, ” blev skrevet af Weile Yan, en ph.d. kandidat i civil- og miljøteknik, med Andrew Herzing ’07 Ph.D., en materialeforskningsingeniør hos National Institute of Standards and Technology; Xiao-Qin Li, der modtog en ph.d. i civil- og miljøteknik i 2008; Christopher Kiely, professor i materialevidenskab og teknik; og Wei-xian Zhang, professor i civil- og miljøteknik.

Nanopartiklerne, som blev opfundet af Zhang, gennemsnitlig 50 nanometer i diameter (1 nm er lig med en milliardtedel af en meter). Øer af palladium på jernets ydre overflade måler 2 til 5 nm i diameter. Partiklerne har fjernet pesticider, vinylchlorid, TCE og andre forurenende stoffer i 10 stater og i Europa og Asien. Behandlede steder omfatter lossepladser, en elektronikfabrik, kemiske anlæg og militærfaciliteter.

Når det injiceres i grundvandet, nanopartiklerne flyder med vandet og reagerer med og afgifter forurenende stoffer. Deres lille størrelse og større proportionale overfladeareal giver dem mere reaktivitet med toksiner end større mængder af den samme katalysator.

Denne overlegne reaktivitet, siger Harch Gill, præsident for Lehigh Nanotech LLC, et Betlehem-selskab, der ejer de kommercielle rettigheder til partiklerne, gør det muligt for partiklerne at afhjælpe et giftigt sted på mindre end et år, sammenlignet med de 10 til 20 år, der kræves af pump-and-treat-metoder.

Og ifølge Association of University Technology Managers, som udnævnte Lehigh Nanotech til en af ​​de 25 bedste historier om teknologisamarbejde i 2008, "det tager kun seks ounce af de små nanomaterialer, kontra et ton af større forbindelser, at foretage gennemgribende ændringer i at rydde op i forurenede miljøer."

Som resultat, siger Zhang, nanopartiklerne er nu et af verdens mest brugte nanomaterialer.

Et nyt fokus

Yan, der har studeret nanopartiklerne siden 2007, siger, at de eksperimentelle resultater vil hjælpe forskere med at udvikle bedre metoder til håndtering og opbevaring af partiklerne, og opsamling og genbrug af palladium, efter at det har neutraliseret forurenende stoffer. Palladium, bruges i katalysatorer, elektronisk udstyr og brændselsceller, er et sjældent og ofte dyrt metal.

Resultaterne kan også bruges til at forbedre jernbaserede nanopartiklers evne til at fange og fjerne tungmetaltoksiner fra forurenede steder, siger Yan.

"Dette papir er kun et udgangspunkt, " hun siger. "Ved at bruge den samme suite af værktøjer, vi kan studere metalarter og nZVI for at lære, hvordan tungmetaller fanges af nZVI, hvor de interagerer, og hvor den endelige destination for tungmetallerne er inde i nZVI."

Gruppens forskning, siger Yan, blev muliggjort af det faktum, at Lehigh har det største elektronmikroskopi-laboratorium i USA. Den aberrationskorrigerede STEM, der blev brugt af Yans team, opløser billeder til 0,1 nm, mens den identificerer den kemiske sammensætning i denne lille "pixel" af en prøve. Kombineret med XEDS, det gjorde det muligt for forskerne at kortlægge overfladen og det indre af jernnanopartiklerne, lokaliser øerne palladium, og spor infiltrationen af ​​palladium til partiklernes indre. Gruppen brugte også røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) til at undersøge ændringerne i nanopartiklernes kemiske egenskaber.

Instrumenterne gjorde det muligt for gruppen at tage en ny tilgang til sin forskning, siger Yan.

"Den traditionelle måde at lave miljøforskning på er at undersøge forurenende stoffer i vand for at sikre, at de bliver udslettet, " hun sagde. "Vi tager en anden tilgang ved at kigge inde i behandlingsmidlet for at se, hvad der sker med det, og hvordan udbedring rent faktisk finder sted."

Yan vil holde et oplæg om gruppens forskning for Environmental Chemical Division i American Chemical Society ved ACS’ årlige konference i august i Boston.