IJzeren nanodeeltjes gemaakt van verlopen supplementen kunnen helpen besmet water te behandelen

Vandaag, ongeveer 1.800.000 hectare van land in de Verenigde Staten wordt gebruikt voor de verwijdering van stortafval. In termen van volume gegenereerd de VS alleen Meer dan 290 miljoen ton vast afval In 2018, een bedrag dat gelijk is aan ongeveer 235.000 Olympische zwembaden, uitgaande van een gemiddelde vaste afvaldichtheid van een halve ton per kubieke meter.

Ongeveer 9% – ongeveer 26 miljoen ton – van dit afval bestaat uit ijzer en staal. Dit zijn middelen met een stabiele marktwaarde die wordt gebruikt in verschillende civiele infrastructuurprojecten. Als team van Milieu -ingenieurswe wilden weten of we ijzerrijk afval konden gebruiken om nanodeeltjes van ijzeroxide te produceren-een nuttig hulpmiddel voor het bestrijden van watervervuiling en het bouwen van engineeringhardware.

Alles over nanodeeltjes

IJzeroxide nanodeeltjes bestaan uit ijzer- en zuurstofatomen en, vanwege hun grootte, vertonen ze unieke fysische en chemische eigenschappen. Ze zijn extreem klein, meestal op het nanoschaal-een miljardste van een meter-in diameter.

De ijzeroxide nanodeeltjes die we hebben gesynthetiseerd, waren een onderscheidende groep genaamd magnetiet en maghemite. Initiële studies hebben aangetoond dat nanodeeltjes in deze groep dat zouden kunnen Drugs helpen bij het juiste deel van het lichaammaken Batterijen in elektrische voertuigen efficiënter en Sensoren verbeteren Voor het detecteren van giftig gas, evenals geluid en beweging.

Omdat deze nanodeeltjes van ijzer zijn gemaakt, zijn ze zowel magnetisch als stabiel. Hun kleine grootte geeft hen een groot oppervlak ten opzichte van hun volume, waardoor ze verontreinigende stoffen in water kunnen pakken. Bovendien maakt hun magnetische aard hen ideaal voor het bouwen van extreem kleine en dunne elektrische componenten.

In ons werk wilden we een nieuwe manier vinden om ze te produceren met behulp van afvalstoffen. In onze nieuwste studie, gepubliceerd in de RSC Duurzaamheid Journal, we hebben een milieuvriendelijke methode ontwikkeld om nanodeeltjes van ijzeroxide te synthetiseren uit verlopen over-the-counter ijzersupplementen. Deze aanpak geeft niet alleen waarde aan weggegooide producten, maar ondersteunt ook een meer duurzame en circulaire productiemethode.

Het onderzoeksproces

Om onze studie uit te voeren, hebben we een methode gebruikt die wordt genoemd hydrothermische carbonisatie Om deze magnetische nanodeeltjes te produceren. We waren in staat om een grote hoeveelheid verlopen ijzersupplementen te vinden van een lokaal gezondheidscentrum.

Het hydrothermische carbonisatieproces maakt gebruik van een turbocompressor -versie van het soort snelkookpan dat u in uw keuken heeft. Voor ons recept combineerden we 20 gram elk van verlopen ijzersupplementen en water in een gespecialiseerde drukreactor. Vervolgens hebben we het mengsel zes tot 12 uur gekookt bij 527 ° F (275 ° C). Onder deze intense temperatuur en druk braken de supplementen af, die kleine- 10- tot 11-nanometer- deeltjes produceerden.

Het eindproduct omvatte een solide houtskoolachtig materiaal genaamd Hydrochar, dat ongeveer 20% tot 22% van het product uitmaakte. De hydrochar bestond uit de ijzeroxide nanodeeltjes en grafiet, een koolstofrijk materiaal dat de hydrochar zijn houtskoolachtige look gaf. De rest werd gas en een donkere, teerachtige vloeistof gescheiden van de hydrochar.

Hydrothermische carbonisatie is niet de enige methode die wordt gebruikt om ijzeroxide nanodeeltjes te maken. Er zijn andere conventionele methoden zoals coprecipitatiewaarbij het mengen van chemicaliën inhoudt om vaste stoffen te vormen. Een andere methode is pyrolysewaar materialen worden verwarmd in afwezigheid van zuurstof. En tot slot, vergassingdie materialen verwarmt in aanwezigheid van zuurstof.

Deze methoden vereisen meestal een hogere energie -input, ongeveer 1.292 tot 1.832 ° F (700 tot 1.000 ° C), of harde zoutchemicaliën. Hydrothermische carbonisatie, de methode die we hebben gebruikt, is daarentegen op waterbasis en kan op een lage temperatuur optreden.

We vergeleken het energieverbruik van ons hydrothermische carbonisatieproces met andere methoden en ontdekten dat het de had Laagste milieu -impact.

Van vervuild water tot schoon

De ijzeroxide nanodeeltjes die we hebben gemaakt, zijn zeer nuttig voor waterbehandeling. Ze zijn bijzonder goed in het verwijderen van olie En zware metalen zoals lood, cadmium, zink en chroom uit water. Dit zijn verontreinigende stoffen waarvan bekend is dat ze ernstig veroorzaken gezondheidsproblemen, waaronder kanker.

U kunt ze mengen met vervuild water of het water erdoorheen laten gaan, vergelijkbaar met een gemeenschappelijk huishoudelijk filter.

Om hun prestaties te testen, hebben we onze ijzeroxide -nanodeeltjes gemengd in afvalwatermonsters die bevatten Methyleenblauwe kleurstofeen veel voorkomende verontreinigende stof in textiel- en productieafvalwater. We vonden dat ze meer dan 95% van de kleurstof verwijderden, en omdat de deeltjes magnetisch zijn, konden we ze uit het behandelde water verwijderen met behulp van een magneet zodat ze het water niet vervuilden.

Afhankelijk van het type verontreinigende stoffen in het water, kunnen ijzeroxide nanodeeltjes soms zijn hergebruikt nadat ze weer worden verhit.

Vooruit

We hebben voor deze studie een kleine hoeveelheid van deze nanodeeltjes in het lab geproduceerd. Grote hoeveelheden ijzerafval worden echter naar stortplaatsen gestuurd. Deze omvatten materialen zoals stalen slib en metalen restjes. Dus in theorie konden in de toekomst veel meer van deze nanodeeltjes worden geproduceerd. Indien geproduceerd in voldoende hoeveelheden, zouden filtratiesystemen met grote water- en afvalwaterplant deze deeltjes kunnen gebruiken om veel grotere hoeveelheden water te behandelen.

Maar stortafval is niet één soort afval. IJzerrijk afval kan besmet zijn met andere materialen, waardoor het zowel de bronintensief als de kostbaar zijn inkoop, sorteren en recyclen. Om deze technologie duurzaam op te schalen, moeten onderzoekers deze uitdagingen eerst overwinnen.

Aan de andere kant, Economen voorspellen dat alternatieve metalen, inclusief nanodeeltjes van ijzeroxide, kunnen helpen voldoen aan de productie -eisen voor Toekomstige technologieën En kunstmatige intelligentie. Deze nanodeeltjes kunnen worden gebruikt om krachtige computercomponenten te produceren. Deze componenten omvatten magnetische geheugenopslag En halfgeleiders gevonden in onze dagelijkse technologieën.

Veel van de Kritieke metalen die momenteel worden gebruikt zijn duur, schaars of geopolitisch gevoelig: Kobalt, nikkel en lithium. Als gevolg hiervan begint ons team te onderzoeken hoe deze op hydrothermische carbonisatie gebaseerde methode kan worden geschaald en toegepast op andere soorten afvalstoffen.

Ons langetermijndoel is om de gereedschapskit voor duurzame nanodeeltjesproductie uit te breiden, terwijl zowel milieu-uitdagingen als materiaalbehoeften voor toekomstige innovaties blijven aanpakken.