Lille teknologi renser snavset vand

Et aktivt kulfilter – som findes i mange husholdningsfiltreringssystemer – kan rense dit drikkevand, men det kan ikke matche spildevand, der indeholder eksplosiver af militær kvalitet. At rense spildevand fra ammunitionsbehandling og demilitarisering, et par miljøingeniørprofessorer fra University of Delaware og en UD-ingeniøralumne går sammen om at teste en ny teknologi, der bruger jernnanopartikler.

Gennem et tilskud fra det amerikanske forsvarsministerium (DOD), Professorerne Pei Chiu og Daniel Cha arbejder sammen med Brian Hubbard, et miljø, sikkerheds- og arbejdsmiljøofficer hos den amerikanske hær, at nedbryde sprængstoffer i spildevand. Den treårige bevilling, som begyndte i 2019, kommer fra DOD's Environmental Security Technology Certification Program (ESTCP). Hubbard, som har modtaget en bachelorgrad og en kandidatgrad i miljøteknik fra UD, er hovedefterforsker, og Cha og Chiu er samarbejdspartnere på projektet. Flere studerende, inklusive bachelorstuderende i miljøingeniør Aidan Meese, deltager også i projektet.

Ved at udvikle og implementere nye behandlingsteknologier til spildevand, der indeholder ufølsomme ammunitionsforbindelser, militæret kan fremme miljøforvaltning og reducere omkostningerne.

Sikrere våben, mere snavset vand

Old-school eksplosive forbindelser som TNT detonerer let og kan gå af ved et uheld ved tilstedeværelse af vibrationer eller pludselige temperaturstigninger. Følsomheden af ​​disse ammunition udgør risici for folk, der håndterer dem, så i dag, militæret producerer ufølsom ammunition, der er sværere at sætte i gang. Ufølsom ammunition er sikrere for brugere, er dog mere vandopløselige end deres historiske modstykker. Disse materialer opløses let i vand, der bruges i fremstillingen og relaterede processer og kan eksistere i vand i meget højere koncentrationer.

"De nuværende behandlingsmetoder, såsom aktivt kul adsorption, er ikke særlig effektive til at fjerne disse meget opløselige ammunitionsforbindelser, " sagde Chiu. (Adsorption er adhæsionen i et ekstremt tyndt lag af molekyler - såsom gasser, væsker eller opløste stoffer - til overfladerne af faste legemer eller væsker, som de er i kontakt med.) "Traditionelle behandlingsteknologier virker bare ikke så godt, som de gjorde for fortidens ammunition."

En billig, effektiv vandrensningsteknologi kunne gavne miljøet og militæret. "Processer såsom fremstilling genererer ofte spildevand, men hvad hvis det vand kunne behandles og genbruges?" sagde Chiu. "Hærens operationer kunne spare vand og penge og reducere risici på samme tid."

Hvad mere er, aktivt kul ødelægger ikke ammunitionsforbindelser. Det adsorberer dem, efterlader en anden affaldskilde, og potentielt ansvar, at håndtere.

Forskerholdet bruger mikroskopiske jernpartikler, nulvalent jern på nanoskala, at behandle dette vand. I stedet for at blive korroderet af ilt i vand, danner rust, de 25 nanometer jernpartikler tæres af ammunitionsforbindelser i spildevand. Nanopartiklerne donerer elektroner til ammunitionsforbindelser og, gennem elektronoverførsel, de opløste ufølsomme ammunitionsforbindelser nedbrydes. Nulvalent jern på nanoskala er blevet brugt til at behandle grundvand, men dette er dens første anvendelse på ammunitionsspildevand.

Holdet indsamlede spildevandsprøver fra hærens faciliteter og, på UD's laboratorium, udførte analyser af vandkvalitet og ammunitionsforbindelser ved hjælp af højtydende væskekromatografi med en diode-array-detektor.

Efter at have brugt jernnanopartikler til at ødelægge ammunitionsforbindelserne i spildevandet, holdet tilføjer hydrogenperoxid for at oxidere resterne til harmløse biprodukter.

Dette er skønheden ved teknologien. Det samme jern bruges tre gange til tre forskellige formål. Først, nano-nulvalent jern ødelægger ammunitionsforbindelser øjeblikkeligt ved at donere elektroner og bliver til divalent jern. Divalent jern aktiverer hydrogenperoxid for at oxidere forbindelserne, og i dette trin, divalent jern bliver til trivalent jern. Trivalent jern, som er almindeligt anvendt i vandbehandling, kan fjerne partikler og rester og polere det rensede spildevand til potentiel udledning eller genbrug.

"Med vores teknologi, vi ødelægger faktisk forureningen, " sagde Cha.

Tidlige eksperimentelle resultater er lovende og igangværende og vil belyse optimale betingelser for feltforsøg. Pilottest i feltskala begynder i foråret 2020.

"Det er en løbende proces, " sagde Chiu. "Når vi lærer mere om kemien, vi vil være i stand til at komme med bedre og mere effektive betingelser for at rense dette spildevand."

Projektet vil også omfatte en omkostningsanalyse. "Vi forventer, at denne proces vil være meget billigere end aktivt kul, " sagde Chiu.

Holdet har mistanke om, at deres teknologi kan være alsidig, også, med anvendelighed til behandling af industrispildevand fra andre industrier end militæret - såsom landbrugskemikalier og fremstilling af forbrugerprodukter.